WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Кремниевый фотодиод с сетчатым p-n-переходом © В.И. Блынский¶, Ю.Г. Василевский, С.А. Малышев, А.Л. Чиж Институт электроники Национальной академии наук Беларуси, 220090 Минск, Республика Беларусь (Получена 5 мая 2006 г. Принята к печати 15 июня 2006 г.) Исследованы кремниевые фотодиоды, p-область которых имеет сетчатую структуру. Получены аналитические выражения для емкости таких фотодиодов. Проведен анализ влияния размеров ячейки и диффузионной длины неосновных носителей заряда на чувствительность кремниевого сетчатого фотодиода в спектральном диапазоне 0.6-1.0 мкм. Приведены экспериментальные характеристики фотодиодов с сетчатым p-n-переходом с размерами ячеек 50 и 110 мкм. Обсуждены факторы, определяющие особенности их спектральной характеристики.

PACS: 85.60.Dw, 72.40.+w, 73.50.Pz.

1. Введение проницаемость, l — ширина p-n-перехода, hn — ширина ячейки, hp — расстояние между ячейками, W — ширина В ряде областей техники, например для систем области пространственного заряда p-n-перехода, d — дистанционного управления аппаратурой, требуются глубина p-n-перехода. Из (1) следует, что отношение кремниевые фотодиоды с большой фоточувствительемкости сплошного фотодиода к емкости сетчатого при ной площадью (> 2мм2), низкой емкостью и высокой условии l hn выражается следующей формулой:

чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра (длина волны 0.85 и 0.95 мкм) [1]. Частично C0 h2 2W /hn -1 n 1 - 1 -. (2) проблема уменьшения емкости фотоприемника решаC (hn + hp)2 ln(1 + W /d) ется формированием входного окна прибора в виде Из формулы (2) следует, что уменьшение расстояния линзы, что позволяет уменьшить площадь фотодиода.

между ячейками hp увеличивает выигрыш в емкости Вторым эффективным методом является использование C0/C (рис. 1). Соотношение (2) принимает максимальp-i-n-фотодиодов. Однако в полной мере их достоинное значение в случае, когда расстояние между ячейкаства проявляются при высоких напряжениях смещения, ми hp значительно меньше ширины ячейки hn:

что в ряде случаев неприемлемо. Одним из возможных методов снижения емкости фотодиода является C0 ln(1 + W /d) выполнение p-области p-n-перехода в виде сетки [2,3]. hn. (3) Ch hn 2W p В настоящей работе исследуются емкость и чувствительность кремниевых сетчатых фотодиодов в спектральном Увеличение ширины ячейки и уменьшение расстояния диапазоне 0.6-1.0мкм.

между ними приводит к уменьшению емкости сетчатого p-n-перехода при росте относительного вклада емкости боковых стенок p-n-перехода.

2. Теоретическое исследование Рассматриваемый в данной работе кремниевый планарный сетчатый p-n-фотодиод состоит из подложки n-типа, в которой сформирована p+-область в виде сетки с квадратными ячейками.

2.1. Емкость сетчатого p-n-фотодиода Допуская, что боковые границы p-n-перехода имеют цилиндрическую форму, емкость сетчатого p-n-фотодиода можно выразить с помощью следующей формулы:

hn C = C0 1 (hn + hp)2W /hn hn hn + +, (1) ln(1 + W /d) l (hn + hp)Рис. 1. Зависимость отношения емкостей C0/C сплошного и сетчатого фотодиодов от размера ячейки hn при разном где C0 = 0l2/W — емкость сплошного фотодиода, расстоянии между ячейками hp, рассчитанная по формуле (2) 0 — диэлектрическая постоянная, — диэлектрическая для W = 1.5мкм, d = 1.2мкм (сплошная линия соответствует ¶ E-mail: blynski@bas-net.by формуле (3)).

230 В.И. Блынский, Ю.Г. Василевский, С.А. Малышев, А.Л. Чиж цией донорной примеси 1 · 1015 см-3 и сформированной в ней p-области толщиной d = 1.2 мкм с концентрацией акцепторной примеси 1 · 1018 см-3 и расстоянием между ячейками hp = 10 мкм. Коэффициент отражения света от поверхности фотодиода принимался равным нулю, а скорость поверхностной рекомбинации в p- и n-областях предполагалась 104 и 102 см/с соответственно. На рис. предствлена теоретически рассчитанная спектральная характеристика чувствительности фотодиодов в спектральном диапазоне 0.6-1.0 мкм для различных диффузионных длин неосновных носителей заряда и ширины ячейки.

Из рис. 2 видно, что в видимой области спектра чувствительность сплошного фотодиода может быть меньше чувствительности фотодиода с сетчатой структурой. При увеличении диффузионной длины дырок в подложке и уменьшении ширины ячейки спектральный диапазон, в котором чувствительность фотодиода с сетчатым p-n-переходом превышает чувствительность сплошного фотодиода, расширяется в инфракрасную область спектра. Указанный диапазон может простираться до длины волны максимума спектральной чувствительности сплошного фотодиода.

3. Эксперимент Экспериментальные образцы фотодиодов со сплошным p-n-переходом и с p-n-переходом, p-область которого выполнена в виде сетки с квадратными Рис. 2. Спектральная характеристика чувствительности фоячейками размером 50 и 110 мкм, были сформироватодиода с сетчатой структурой при разных размерах ячейки hn (пунктирная линия соответствует сплошному фотодиоду):

ны в кремнии КЭФ-4.5 (рис. 3). Размеры сплошноa — диффузионная длина дырок 30 мкм, b — диффузионная го и сетчатого p-n-переходов составляли 1.62 1.длина дырок 100 мкм.

и 1.87 1.87 мм соответственно. Размеры последнего были больше, чтобы компенсировать предполагаемое уменьшение чувствительности сетчатого фотодиода в инфракрасной области спектра. Расстояние меж2.2. Чувствительность сетчатого ду ячейками составляло 10 мкм. p-n-переходы глубиp-n-фотодиода ной 1.2 мкм формировались имплантацией бора без применения специальных технологических методов по Для расчета спектральной характеристики чувствиувеличению диффузионной длины неосновных носитетельности использовалась двумерная дискретная филей заряда. Диффузионная длина дырок в подложке зико-топологическая модель фотодиода на основе дрейсоставляла 35-40 мкм.

фово-диффузионной схемы описания переноса носителей заряда в полупроводниковой структуре [4,5]. Использование двумерной модели при решении данной трехмерной задачи возможно при допущении, что ячейки сетчатой структуры являются круглыми, что позволяет перейти к цилиндрической системе координат и моделировать поведние одной отдельно взятой ячейки.

Следует отметить, что принятое допущение не влияет на выходные характеристики фотодиода в инфракрасной области спектра, так как глубина поглощения излучения в кремнии в исследуемом диапазоне спектра намного превышает глубину залегания p-n-перехода.

Моделируемый кремниевый сетчатый фотодиод состоРис. 3. Внешний вид топологии сетчатого фотодиода с ит из подложки n-типа толщиной 400 мкм с концентра- размером ячейки 110 мкм.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Кремниевый фотодиод с сетчатым p-n-переходом Фотосигнал Тип Размеры Емкость, пФ, Темновой ток, нА ( = 0.95 мкм), фотодиода p-n-перехода, мм (U = 0В) (U = 5В) отн. ед.

Сплошной 1.62 · 1.62 180 1.0 < 1.Сетчатый (hn = 50 мкм, 1.87 · 1.87 166 1.2 < 1.hp = 10 мкм) Сетчатый (hn = 110 мкм, 1.87 · 1.87 125 0.9 < 1.hp = 10 мкм) На рис. 4 представлены измеренные спектральные яние от места генерации дырок излучением в ячейках характеристики чувствительности исследуемых фотоди- до p-n-перехода увеличивается. Поэтому часть дырок одов. Видно, что чувствительность сетчатого фотодиода вследствие влияния объемной рекомбинации не достис размером ячейки 50 и 110 мкм в инфракрасной области гает перехода, что приводит к снижению чувствительспектра меньше чувствительности сплошного фотодиода ности. Причем снижение чувствительности тем больше, на 15 и 30% соответственно, что соответствует теорети- чем больше ширина ячеек.

ческим кривым, приведенным на рис. 2, a.

Второй фактор обусловлен тем, что вследствие малого количества дефектов скорость рекомбинационных процессов у границы раздела Si–SiO2 в приповерхностной области ячеек меньше, чем в p-области кремния, подвергшейся имплантации. Поэтому вероятность того, что дырки, генерируемые оптическим излучением в приповерхностной области ячеек и диффундирующие туда из объема подложки, достигнут p-n-перехода и дадут вклад в фототок выше, чем для электронов, генерируемых излучением в p-области фотодиода. Это приводит к тому, что чувствительность сетчатого фотодиода в видимой области спектра превосходит спектральную чувствительность сплошного фотодиода.

Первый из указанных механизмов доминирует преимущественно в инфракрасной области спектра, тогда как второй — в коротковолновой области спектра. Вид Рис. 4. Спектральная характеристика чувствительности спектральной характеристики зависит от того, какой из сплошного (пунктирная линия) и сетчатых фотодиодов с них превалирует. Так, при большой диффузионной длине размером ячейки 50 и 110 мкм.

и малой ширине ячейки преобладание второго фактора может привести к превышению чувствительности сетчатого фотодиода по сравнению со сплошным фотодиодом Сравнительные параметры фотодиодов приведены в даже в инфракрасной области спектра.

таблице. Как видно из таблицы, фотосигнал сетчатого Превышение реального значения емкости (см. таблифотодиода с размером ячейки 110 мкм при освещении цу, рис. 1) по сравнению с расчетным значением объясоптическим излучением с длиной волны 0.95 мкм лишь няется тем, что в приведенной теоретической модели на 10% меньше амплитуды фотосигнала сплошного не учтена площадь, занимаемая контактом к p-области фотодиода, при этом его емкость меньше в 1.5 раза.

p-n-перехода. Кроме того, следует учитывать, что при изготовлении фотодиода в окисле на фоточувствительной поверхности вследствие наличия в нем кислородных 4. Обсуждение результатов вакансий образуется положительный заряд. Процессы По сравнению со стандартным фотодиодом в сетча- термообработки приводят к перераспределению легирутом фотодиоде появляются два дополнительных факто- ющей примеси в кремнии и увеличению концентрации ра, влияющих на чувствительность. Их возникновение фосфора в приповерхностной области кремния [6,7]. Оба связано с тем, что преобладающая часть излучения этих механизма приводят к сужению ширины области попадает в область ячеек. пространственного заряда в месте выхода сетчатого Первый фактор обусловлен тем, что в сетчатом фо- p-n-перехода на поверхность кремния и увеличению его тодиоде по сравнению с обычным фотодиодом рассто- емкости.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 232 В.И. Блынский, Ю.Г. Василевский, С.А. Малышев, А.Л. Чиж Из приведенных экспериментальных данных следует, Silicon p-n-photodiodes with a grid что даже при низкой диффузионной длине дырок в structure подложке (30 мкм) можно получить сетчатый фотодиод V.I. Blynski, Y.G. Vasileuski, S.A. Malyshev, A.L. Chizh с меньшей емкостью при практически одинаковом фотосигнале по сравнению со стандартным фотодиодом.

Institute of Electronics, National Academy of Sciences of Belarus, 220090 Minsk, Republic of Belarus 5. Заключение Показано, что особенности спектральной характе-

Abstract

Silicon photodiodes with a p-region having a grid structure have been investigated. Analytical expressions describing ристики сетчатого фотодиода обусловлены влиянием двух конкурирующих факторов. Первый фактор обус- the capacitance of these photodiodes have been obtained. An analysis of the cell dimension and diffusion length of the minority ловлен уменьшением вероятности собирания сетчатым p-n-переходом дырок, генерируемых оптическим излу- carrier influence on the sensitivity of silicon grid photodiode has чением в ячейках. Второй механизм обусловлен мень- been carried out in a spectral region of 0.6-1.0 µm. Measured шей скоростью рекомбинационных процессов в припо- characteristics of the grid photodiodes with 50 and 110 µm cell верхностной области ячеек. Вид спектральной характе- dimensions are presented. Spectral characteristic features of grid ристики сетчатого фотодиода определяется взаимодей- photodiodes have been discussed.

ствием указанных механизмов.

Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность создания сетчатых фотодиодов, у которых при меньшей емкости чувствительность в инфракрасной области спектра не уступает чувствительности фотодиодов со сплошным p-n-переходом.

Список литературы [1] В.И. Блынский, Е.Г. Лозицкий, П.И. Окунь. Электрон.

промышленность, 1, 12 (2004).

[2] Е.И. Иванова, Л.Б. Лопатина, В.Л. Суханов, В.В. Тучкевич, Н.М. Шмидт. ФТП, 15, 1343 (1981).

[3] В.И. Блынский. Докл. 9-й науч.-техн. конф. „Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления“ (Гурзуф, Украина, 1997) с. 256.

[4] S. Malyshev, A. Chizh, Y. Vasileuski. Proc. 5th Int.

Conf. Numerical Simulation Optoelectronic Devices (Berlin, Germany, 2005) p. 45.

[5] Ю.Г. Василевский. Вестн НАН Беларуси. Сер. физ.-мат.

наук, 5, 35 (2005).

[6] Интегральные схемы на МДП приборах (М., Мир, 1975) с. 68. [Пер. с англ.: MOS Integrated Circuits, ed. by W. Penny (N.Y.–Cincinnati–Toronto–London–Melbourne, Van Nostrand Reinhold Company, 1972) p. 68].

[7] Кремниевые планарные транзисторы, под ред. Я.М. Федотова (М., Сов. радио, 1973) с. 210.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.