Фотодіод

Винахід відноситься до мікрофотоелектроніки, а саме до напівпровідникових фотодіодів і може бути використаний як фотоприймач в оптико-електронних системах. Відомий фотодіод, товщина підкладки якого дорівнює глибині поглинання випромінювання, яке нею поглинається [1]. Недоліком такої конструкції є те, що для випромінювання з малою глибиною поглинання товщина підкладки має бути настільки малою, що втрачається її механічна міцність, а у разі великої глибини поглинання - її товщина може бути настільки великою, що довгохвильове фонове випромінювання, яке також проникає на велику глибину, здатне погіршити порогові характеристики фотодіода. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є фотодіод, основними елементами якого є кремнієва підкладка одного типу провідності, товщина якої дорівнює половині глибини поглинання робочої довжині хвилі, фоточутли ві області іншого типу провідності та омічні контакти [2]. Фотодіод має високі значення струмової монохроматичної чутливості на довжині хвилі біля 1мкм. та низькі значення шуму. Недоліком такої конструкції є та обставина, що у разі реєстрації довгохвильового випромінювання, яке поглинається на глибині біля 900нм в умовах фонового засвітлення, пороговий потік збільшується за рахунок збільшення сигналу шуму, з умовленого генерацією носіїв струм у фоновим випромінюванням, в тому числи відомої області спектра. Завданням запропонованого винаходу є зменшення величини фотострум у, генерованого фоновим випромінюванням видимої області спектра, яке поглинається фотодіодом. Зазначене завдання досягається тим, що фотодіод, якій містить підкладку одного типу провідності, одну або декілька фоточутливи х областей іншого типу провідності та омічні контакти, повинен відповідати системі нерівностей: ìh p-n ³ 1 / a s ï í1 / a w ³ H ³ Wi + L n ï1 / a > 1/ a w s î h p -n - глибина залягання p-n переходу; 1 / a s , - глибина поглинання видимого діапазону оптичного випромінювання; 1/ a w - глибина поглинання робочої довжини хвилі; H - товщина напівпровідникової підкладки фотодіода; Wi - ширина області просторового заряду; Ln -дифузійна довжина неосновних носіїв де заряду. Відповідність критерію "новина" запропонованому фотодіоду забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У винаході запропоновано рішення, принципово нове для фотодіодів, яке полягає у тому, що фотодіод h має відповідати системі нерівностей, до якої входять глибина залягання р-n переходу p -n , яка повинна бути не менше 1 / a s , де 1 / a s , - глибина поглинання видимого діапазону оптичного випромінювання та товщина напівпровідникової підкладки фотодіоду H , яка повинна бути не більше 1 / a P , де 1/ a w , - глибина поглинання робочої довжини хвилі і не менша суми ширини області просторового заряду Wi і дифузійної довжини неосновних носіїв заряду Ln при цьому глибина поглинання робочої довжини хвилі 1/ a w повинна бути більше глибини поглинання видимого діапазону оптичного випромінювання 1 / a s . Тому, ознаки, що не зустрічаються ні в одному з аналогів "повинен відповідати системі нерівностей: ìh p-n ³ 1 / a s ï í1 / a w ³ H ³ Wi + L n ï1 / a > 1/ a w s î - глибина залягання р-n переходу; 1 / a s - глибина поглинання видимого діапазону оптичного випромінювання; 1/ a w - глибина поглинання робочої довжини хвилі; H - товщина напівпровідникової підкладки фотодіоду; Wi - ширина області просторового заряду; Ln -дифузійна довжина неосновних носіїв де h p -n заряду" забезпечує заявленому об'єкту необхідний винахідницькій рівень. Промислове використання запропонованого винаходу не вимагає великих витрат, спеціальних матеріалів та те хнологій, його реалізація можлива на виробництвах України та за її межами. Оптичне випромінювання проникає в кремній на різну глибину. Його поглинання здійснюється в об'ємі кремнію на різних глибинах в залежності від довжини хвилі. Більш короткохвильове випромінювання поглинається на невеликій глибині. Більш довгохвильове - на більшій глибині. При освітленні фоточутливого елементу монохроматичним робочим випромінюванням з довжиною хвилі 900нм його поглинання здійснюється від поверхні кремнієвого фотодіоду до глибини ~30мкм. При освітлення фоточутливо го елементу [3] фоновим видимим денним світлом (довжина хвилі 300-650нм) його поглинання здійснюється від поверхні кремнієвого фотодіоду до глибини 0-3мкм. Таким чином для усунення впливу фонового випромінювання денного світла і упевненої реєстрації робочої довжини хвилі потрібно щоб глибина залягання р-n переходу була на такій відстані від поверхні фоточутли вого елементу фотодіода, щоб денне світло поглиналось не доходячи до нього. Тоді носії заряду, генеровані таким світлом, зможуть дістатися р-n переходу лише за рахунок дифузійного механізму і кількість їх буде незначна. У цьому разі кількість носіїв струму, генерованих денним світлом, які зможуть досягти р-n переходу і внести свій внесок у величину фотосигналу, зменшиться. Дифузійну довжину носіїв струму в області переходу можна не враховувати, оскільки концентрація домішок в цій області висока і час життя носіїв заряду дуже малий. Враховуючи те, що глибина поглинання робочої довжини хвилі 900 нм становить ~30 мкм, дифузійна довжина носіїв заряду може досягати декількох сотень мікрон, а ширина області просторового заряду, в залежності від робочої напруги та концентрації неосновних носіїв заряду, може досягати від декількох десятків до декількох сотень мкм, товщину кристалу фотодіода можна обирати в широких межах, але не більше глибини поглинання робочої довжини хвилі і не менше суми ширини області просторового заряду та дифузійної довжини неосновних носіїв заряду. Ефективність роботи такого фотодіода забезпечується при умові, що глибина поглинання робочої довжини хвилі більша глибини поглинання фонового випромінювання видимої частки оптичного діапазону спектра. На фіг.1 подано схематичне зображення запропонованого фотодіода. На фіг.2 подано співвідношення між конструктивними елементами фотодіода. Фотодіод містить напівпровідникову підкладку (1), в якій методами планарної технології сформовано основний (2) та допоміжний (3) фоточутливі елементи через отвори у захисному шарі окису кремнію (4). Над фоточутли вими елементами вирощений просвітлюючий шар (5), через отвори в якому створені омічні контакти (6). Із зворотного боку напівпровідникової підкладки створено ізотопний до неї шар (7) для здійснення омічного опору з шаром металізації (8). Приклад конструкції фотодіода. Фотодіод виконано на кремнієвій підкладці (1) p-типу провідності з питомим опором не менше 5кOм товщиною 300мкм. Фоточутливі елементи (області n-типу провідності 2 і 3) створено методами планарної технології шляхом дифузії фосфору через отвори у захисній масці з окису кремнію (4) товщиною 0,5-1мкм. Глибина залягання р-n переходу становит 3-5мкм. Поверхневий опір складає 3-20Ом/ . Для зменшення відбивання оптичного випромінювання робочої довжини хвилі над фоточутливими елементами створено просвітлюючий шар з окису кремнію (5) товщиною ~0,15мкм. Із зворотного боку кремнієвої підкладки створено область p+ - типу провідності (7) глибиною залягання 1мкм, завдання якого зменшення опору на межі металізіційний шар (8) - напівпровідник (1). Через вікна у просвітлюючому шарі (5) створено контакти (6) з золота товщиною 0,7мкм. Товщина шару металізації із зворотного боку складає 0,51мкм. Фотодіод працює наступним чином. При попаданні короткохвильового фонового випромінювання (денне світло) на фоточутливий елемент фотодіоду, воно поглинається на глибіні 1 / a s (фіг.2). Кількість генеровані ним носії заряду, що досягають р-n переходу, який розташовано на більшій глибині, ніж поглинається фонове випромінювання, дуже мала. Тому такі носії заряду генерують носії заряду, більшість з яких не здатна досягти р-n переходу і тати свій внесок у фотострум, а невелика решта може досягти р-n переходу за рахунок дифузійного руху. Тому внесок короткохвильової складової фонового випромінювання у фотостр ум фотодіоду зменшується і вона не може впливати на корисний сигнал, генерований випромінюванням робочої довжини 1/ a p хвилі, який поглинається на значно більшій глибині . Завдяки тому, що товщина фотодіоду H не менше суми ширини області просторового заряду та ди фузійної довжини неосновних носіїв заряду, усе оптичне випромінювання робочої довжини хвилі поглинається в об'ємі фотодіоду, а генеровані ним носії заряду потрапляють до р-n переходу завдяки дифузійному та дрейфовому механізмам (дифундування носіїв заряду в Ln області до області просторового заряду - Wi та подальший їх дрейф в цій області). Таким чином короткохвильове фонове випромінювання здатне генерувати носії заряду в області, яка віддалена від р-n переходу на стільки, що кількість носіїв заряду, які здатні досягти його, значно зменшується і величина фотосигналу, зумовленого фоновим випромінюванням, зменшується. В той же час конструкція фотодіоду забезпечує поглинання довгохвильового випромінювання робочої довжини хвилі і р ух носіїв заряду, генерованих цим випромінюванням, до р-n переходу, де вони розділяються і генерують струм фо тосигналу у зовнішньому колі. Джерела інформації: 1. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, т.2. Мир, Москва (1984), стр.354. 2. Аще улов Α.Α., Годованюк Β.Η., Добровольський Ю.Г. та ін. Оптимизация надежности кремниевых р-і-п фотодиодов по темповому току//ТКЭА. 1999. - №1-2. - С.18-21. 3. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, т.2. Мир, Москва (1984), стр.143.