лавинный фотодиод

Формула изобретения

Лавинный фотодиод, содержащий два полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, имеющие общую границу раздела, отличающийся тем, что по крайней мере в одном из полупроводниковых слоев сформированы не менее двух отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости, расположенных вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев и образующих совместно с ними p-n-p-n-переходы в направлении, перпендикулярном упомянутой выше общей границе раздела полупроводниковых слоев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых световых импульсов и ядерных частиц.

Известно устройство (аналог), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены широкозонный резистивный слой и полупрозрачный металлический электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой. При этом лавинный ток перетекает к металлическому электроду через резистивный слой. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев, происходящих в областях неоднородности границы раздела полупроводника с широкозонным резистивным слоем. Дело в том, что области микропробоев, статически распределенные на упомянутой выше границе, имеют токовую связь между собой, поэтому широкозонный резистивный слой недостаточно ограничивает лавинный ток в устройстве. Упомянутые микропробои приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя.

Известно устройство (прототип), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев на границе р-n перехода. Области микропробоя, имеющиеся на границе раздела р-n перехода, имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях микропробоя. Одна или несколько областей небольшого размера не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на основной площади устройства. Таким образом ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.

Задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем два полупроводниковых слоя, образующие между собой р-n-переход, формируют матрицу отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости. Полупроводниковые области формируют, крайней мере, в одном из полупроводниковых слоев. Тип проводимости полупроводниковых областей выбирают противоположным по отношению к полупроводниковому слою, в котором они создаются. Это приводит к образованию в устройстве p-n-p-n-переходов в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе раздела полупроводниковых слоев. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев, в результате этого в устройстве образуется двумерная матрица тройных p-n-p-n-переходов. Элементы этой матрицы отделены друг от друга областями p-n-перехода.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения возможных вариантов лавинного фотодиода. Устройство изготавливают на базе полупроводникового слоя 1 (подложки), например, кремния р-типа проводимости. На поверхности подложки выращивают эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости, образующий с подложкой p-n-переход. Полупроводниковые области 3 и 4 формируют путем ионного легирования полупроводниковых слоев бором и фосфором. Поперечные размеры полупроводниковых областей определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания полупроводниковых областей. Затем изготавливают известные элементы устройства, как охранные кольца и контактные электроды.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в областях p-n-p-n-переходов, представляющихся собой независимые каналы умножения носителей заряда. Это происходит благодаря тому, что области тройных p-n-p-n-переходов 5 окружены областями p-n-переходов 6 (см. чертеж). В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в области тройного p-n-p-n-перехода смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между p-n-p-n-переходами, также смещаются в противоположном направлении. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое к областям p-n-p-n-переходов. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху p-n-переходе канала умножения, а следующий p-n-переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-0,7 В, в которой собираются умноженные электроны. Накопление электронов в упомянутой потенциальной яме за время нескольких наносекунд приводит к резкому понижению электрического поля в лавинной области (т.е. в первом p-n-переходе), в результате этого лавинный процесс в данном канале умножения прекращается. Затем за время нескольких десятков наносекунд после окончания лавинного процесса накопленные электроны уходят в подложку благодаря достаточной утечки третьего p-n-перехода. Таким образом лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется в независимых каналах умножения, не имеющих зарядовой связи между собой. Благодаря этому улучшается стабильность работы и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода.

Источники информации

1. Микроэлектроника, 1989, т.18, с.88-90 (аналог).

2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Ч.2. М.: Мир, 1984, с.455, (прототип).