кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя

Формула изобретения

1. Кремниевый фотоэлектронный умножитель, содержащий подложку р⁺⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10²⁰ см^-3, отличающийся тем, что он состоит из ячеек, каждая из которых включает эпитаксиальный слой р-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10¹⁴ см ^-3, выращенный на подложке, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁵÷10 ¹⁷ см^-3, слой n⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10 ²⁰ см^-3, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n⁺ -типа проводимости с шиной питания, между ячейками расположены разделяющие элементы.

2. Кремниевый фотоэлектронный умножитель, содержащий подложку n-типа проводимости, на которую нанесен слой р⁺⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10²⁰ см^-3, отличающийся тем, что он состоит из ячеек, каждая из которых включает эпитаксиальный слой р-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10¹⁴ см ^-3, выращенной на слое р⁺⁺-типа проводимости, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁵÷10¹⁷ см^-3, слой n⁺ -типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁸÷10²⁰ см^-3, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n⁺ с шиной питания, между ячейками расположены разделяющие элементы.

3. Ячейка кремниевого фотоэлектронного умножителя включает эпитаксиальный слой р-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁸÷10¹⁴ см^-3, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁵÷10 ¹⁷ см^-3, слой n⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10 ²⁰ см^-3, в ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n⁺ с шиной питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к детекторам с высокой эффективностью регистрации светового излучения, в том числе видимой части спектра, и может быть использовано в ядерной и лазерной технике, а также в технической и медицинской томографии и т.п.

Известно устройство для регистрации одиночных фотонов ["Avalanche photodiodes and quenching circuits for single-photon detection", S.Cova, M.Ghioni, A.Lacaita, C.Samori and F.Zappa APPLIED OPTICS Vol.35 №12 20 April 1996], включающее кремниевую подложку, с выполненным на ней эпитаксиальным слоем, имеющим на поверхности маленькую (10-200 мкм) область (ячейку) противоположного к данному слою типа проводимости. К ячейке прикладывается напряжение обратного смещения выше пробойного. При поглощении фотона в этой области происходит гейгеровский разряд, который ограничивается внешним гасящим резистором. Такой счетчик одиночных фотонов обладает высокой эффективностью регистрации света, однако имеет очень маленькую чувствительную площадь, а также не способен измерять интенсивность светового потока. Для устранения этих недостатков необходимо использовать большое ( 10³) число таких ячеек, размещенных на общей подложке площадью 1 мм². Тогда каждая из таких ячеек работает как вышеописанный счетчик фотонов, в целом же прибор регистрирует интенсивность света, пропорциональную числу сработавших ячеек.

В качестве прототипа кремниевого фотоэлектронного умножителя принято устройство (см. RU2086047 С1, 27.07.97), включающее кремниевую подложку, на поверхности которой в эпитаксиальном слое расположено большое количество ячеек размерами 20-40 мкм. Роль гасящего резистора выполняет слой из специального материала, покрывающий ячейки. К недостаткам этого устройства следует отнести:

- понижение эффективности регистрации коротковолнового света за счет его поглощения в резистивном слое;

- недостаточно высокая эффективность регистрации длинноволнового света из-за малой глубины чувствительной области;

- наличие оптической связи между соседними ячейками, приводящей к тому, что при срабатывании одной из ячеек в гейгеровском разряде возникают вторичные фотоны, которые могут вызвать срабатывание (поджиг) соседних ячеек. Поскольку число таких фотонов пропорционально коэффициенту усиления, то это явление ограничивает коэффициент усиления, эффективность и одноэлектронное разрешение устройства. Кроме того, наличие оптической связи создает избыточный фактор шума, что ухудшает идеальные пуассоновские статистические характеристики и способность к счету малого числа фотонов;

- технологическая сложность нанесения резистивного слоя.

Технический результат заключается в повышении эффективности регистрации света в широком диапазоне длин волн за счет увеличения чувствительности ячеек, в достижении высокого одноэлектронного разрешения и подавлении фактора избыточного шума.

В качестве прототипа ячейки для кремниевого фотоэлектронного умножителя принята структура одиночной ячейки (размером около 20 мкм), выполненная в тонком эпитаксиальном слое и обеспечивающая однородность электрического поля в обедненном слое толщиной около 1 мкм. Структура ячейки обеспечивает низкое рабочее напряжение (M.Ghioni, S.Cova, A.Lacaita, G.Ripamonti "New epitaxial avalanche diode for single-photon timing at room temperature". Electronics Letters, 24, №24 (1988) 1476).

К недостаткам известной ячейки следует отнести недостаточную эффективность детектирования длинноволновой части спектра ( 450 мкм).

Технический результат заключается в повышении эффективности регистрации света в широком диапазоне длин волн за счет увеличения чувствительности ячеек, достижении высокого одноэлектронного разрешения.

Рассматриваются два варианта устройства кремниевого фотоэлектронного умножителя и конструкция ячейки для фотоэлектронного умножителя.

Технический результат (вариант 1) достигается за счет того, что кремниевый фотоэлектронный умножитель, содержащий подложку р⁺⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10 ²⁰ см^-3, состоит из ячеек, каждая из которых включает в себя эпитаксиальный слой р-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10¹⁸ ÷10¹⁴ см^-3, выращенный на подложке, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁵÷10¹⁷ см^-3, слой n⁺ -типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁸÷10²⁰ см^-3, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n⁺-типа проводимости с шиной питания, между ячейками расположены разделяющие элементы.

Слой n⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸ ÷10²⁰ см^-3 образует донорную часть р-n-перехода.

Технический результат (вариант 2) достигается за счет того, что кремниевый фотоэлектронный умножитель, содержащий подложку n-типа проводимости, на которую нанесен слой р⁺⁺ -типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10 ¹⁸÷10²⁰ см^-3, состоит из ячеек, каждая из которых включает в себя эпитаксиальный слой p-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10¹⁴ см^-3, выращенный на слое p⁺⁺-типа проводимости, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁵ ÷10¹⁷ см^-3, слой n⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸ ÷10²⁰ см^-3, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n⁺ с шиной питания, между ячейками расположены разделяющие элементы.

Во втором варианте используется подложка n-типа проводимости (вместо подложки 1, используемой в первом варианте выполнения устройства), образующая с p-слоями ячеек обратный n-p-переход.

На фиг.1 представлена конструкция ячейки для кремниевого фотоэлектронного умножителя в соответствии с изобретением.

На фиг.2 представлен первый вариант кремниевого фотоэлектронного умножителя.

На фиг.3 представлен второй вариант кремниевого фотоэлектронного умножителя.

Кремниевый фотоэлектронный умножитель в соответствии с первым вариантом содержит подложку 1 р⁺⁺-типа проводимости, эпитаксиальный слой 2 (ЭПИ), выращенный на подложке 1, слой 3 р-типа проводимости, слой 4 n⁺-типа проводимости, поликремниевый резистор 5, соединяющий слой 4 с шиной питания 6, слой 7 оксида кремния, разделяющие элементы 10.

Кремниевый фотоэлектронный умножитель в соответствии со вторым вариантом содержит кроме указанных элементов и связей слой 8 р⁺⁺-типа проводимости и подложку 9 n-типа проводимости (вместо подложки 1 р⁺⁺-типа проводимости).

Ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя содержит эпитаксиальный слой 2 p-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10 ¹⁴ см^-3, выращенный на подложке 1, слой 3 p-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁵ ÷10¹⁷ см^-3, слой n⁺, образующий донорную часть p-n-перехода, с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸÷10²⁰ см^-3, на слое 7 оксида кремния, нанесенного на фоточувствительную поверхность эпитаксиального слоя, размещен поликремниевый резистор 5, соединяющий слой 4 n⁺ с шиной питания 6.

Эффективная регистрации света в широкой области спектра (300-900 мкм) при сохранении низкого рабочего напряжения и высокой однородности электрического поля достигается в такой структуре путем создания встроенного электрического поля, которое возникает благодаря специально сформированному в эпитаксиальном слое градиентному профилю распределения легирующей примеси.

Концентрация примеси в эпитаксиальном слое понижается по направлению от подложки к фоточувствительной поверхности фотоэлектронного умножителя, которой является удаленная от подложки поверхность эпитаксиального слоя (фоточувствительная поверхность эпитаксиального слоя). На фоточувствительную поверхность кремниевого фотоэлектронного умножителя, а именно на фоточувствительную поверхность эпитаксиального слоя наносится слой 7 оксида кремния. В каждой ячейке на слое 7 оксида кремния размещен поликремниевый резистор 5, соединяющий слой 4 n⁺ с шиной 6 питания. Между ячейками расположены разделяющие элементы 10, выполняющие, в частности, функцию оптических барьеров.

Эпитаксиальный слой (второй вариант кремниевого фотоэлектронного умножителя) выращен на слое 8 p⁺⁺ -типа проводимости, расположенном на подложке 9 n-типа проводимости (концентрация легирующей примеси 10¹⁵÷10 ¹⁷ см^-3). Между слоями 3 p-типа проводимости и подложкой 9 создается второй (обратный) n-p-переход, препятствующий проникновению фотоэлектронов, создаваемых вторичными фотонами гейгеровского разряда, в чувствительную область соседних ячеек. Кроме того, попадание вторичных гейгеровских фотонов в соседние ячейки предотвращается за счет выполнения разделяющих элементов (оптические барьеры) между ячейками, (которые, например, могут быть треугольной формы (V-образная канавка)) путем анизотропного травления кремния с ориентацией <100>.

Кремниевый фотоэлектронный умножитель состоит из независимых ячеек с размерами 20-100 мкм. Посредством алюминиевых шин все ячейки объединены и к ним приложено одинаковое напряжение смещения, превышающее пробойное, что обеспечивает работу в гейгеровском режиме. При попадании фотона в активную область ячейки, в ней развивается самогасящийся гейгеровский разряд. Гашение, то есть прекращение разряда, происходит из-за флуктуации числа носителей до нулевого значения при падении напряжения на p-n-переходе, благодаря наличию в каждой ячейке поликремниевого резистора 5 (токоограничивающий резистор). Токовые сигналы от сработавших ячеек, суммируются на общей нагрузке. Усиление каждой ячейки составляет величину до 10⁷. Разброс величины усиления определяется технологическим разбросом величины емкости ячейки и напряжением пробоя ячейки и составляет менее 5%. Поскольку все ячейки одинаковые, отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален числу сработавших ячеек, т е. интенсивности света.

Одной из особенностей работы в гейгеровском режиме является зависимость усиления ячейки от напряжения смещения - линейная, что снижает требования к стабильности напряжения питания и к температурной стабильности.

На общую шину 6 (анод) подается положительное напряжение, величина которого должна обеспечивать гейгеровский режим работы (типовое значение лежит в интервале U=+20÷60 В), а также обеспечивать необходимую глубину обеднения слоев 1-2 мкм. При поглощении кванта света образующиеся носители заряда собираются не только из области обеднения, но и из необедненной переходной области, в которой из-за градиента концентрации примеси существует встроенное электрическое поле, заставляющее электроны двигаться к аноду. Таким образом, достигается большая глубина собирания зарядов, значительно превышающая глубину обедненной области, которая определяет низкое рабочее напряжение. Это обеспечивает максимально высокую эффективность регистрации света при фиксированной топологии ячеек и фиксированном рабочем напряжении.

Величина поликремниевого резистора 5 выбирается из условия достаточности для гашения лавинного разряда. Резистор технологически прост в изготовлении. Важной особенностью является то, что резистор располагается по периферии ячейки, не закрывая активной части, т.е. не уменьшая эффективности регистрации света

В конструкции кремниевого фотоэлектронного умножителя для подавления связи между ячейками между ними расположены разделяющие элементы, например, треугольной формы (образованные, например, при анизотропном травлении кремния с ориентацией <100> в жидкостных травителях на основе КОН).

Учитывая, что процессы в p-n и n-p-переходах протекают совершенно одинаково (с учетом обратных знаков носителей электрических зарядов), при выполнении заявленных устройств в инверсном варианте (слои с определенным типом проводимости меняются на противоположные), их работа осуществляется аналогично тому, как это описано для предлагаемого изобретения в настоящем описании и формуле изобретения. При этом признаки инверсных вариантов заявляемых устройств эквивалентны признакам, приведенным в данном описании и формуле изобретения.