Фотодіод

Фотодіод, який містить підкладку одного типу провідності, фоточутливу область іншого типу провідності та омічні контакти, який відрізняється тим, що товщина напівпровідникової підкладки фотодіода - Н, глибина поглинання робочої довжини хвилі - 1/ар, глибина поглинання довжини хвилі фонового випромінювання - 1/а ф , дифузій бина залягання р-n переходу - h p _ n та ширина області просторового заряду - W, повинні задовольняти системі нерівностей: |Н1/а ф при цьому омічний контакт на зворотному боці напівпровідникової підкладки має отвір, проекція якого співпадає з площиною фоточутливої області, а уся конструкція розвернута до джерела оптичного випромінювання зворотним боком. на довжина неосновних носіїв заряду - І_ н н з , гли Корисна модель відноситься до мікрофотоелектроніки, а саме до напівпровідникових фотодіодів і може бути використана 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 запропонованої корисної моделі є фотодіод, основними елементами якого є кремнієва підкладка одного типу провідності, товщина якої дорівнює половині глибини поглинання робочої довжини хвилі, фоточутливі області іншого типу провідності на лицьовому боці підкладки, області підвищеної концентрації носіїв струму на зворотному боці підкладки та омічні контакти, причому контакт із зворотного боку суцільний [2]. Фотодіод має високі значення струмової монохроматичної чутливості на довжині хвилі біля 1мкм та низькі значення темпових струмів. Недоліком такої конструкції є та обставина, що у разі реєстрації довгохвильового випромінювання, яке поглинається на глибині біля ЮООнм в умовах фонового засвітлення, пороговий потік збільшується за рахунок збільшення сигналу шуму, зумовленою генерацією носіїв струму фоновим випромінюванням. Завданням запропоновані' корисної моделі є зменшення величини фотоструму, генерованого фоновим випромінюванням, яке поглинається фотодіод ом. Зазначене завдання розв'язується тим, що товщина напівпровідникової підкладки фотодіоду Н, глибина поглинання робочої довжини хвилі 1/ар , глибина поглинання довжини хвилі фонового випромінювання 1/аф , дифузійна довжина неосновних носіїв заряду І_ннз, глибина залягання р-n переходу h p _ n та ширина області просторового заряду W,, повинні задовольняти системі нерівностей: Н1/а ф 00 о> 4877 при цьому омічний контакт на зворотному боці напівпровідникової підкладки має отвір, проекція якого співпадає з площиною фоточутливої області, а уся конструкція розвернута до джерела оптичного випромінювання зворотним боком У корисній моделі запропоновано рішення, принципово нове для фотодюдів, яке полягає у тому, що конструкція фотодюду повинна відповідати системі нерівностей, до яких входять товщина напівпровідникової підкладки фотодюду Н, яка не повинна перевищувати глибини поглинання робочої довжини хвилі 1/а р , та повинна бути більша за суму ширини області просторового заряду W,, дифузійної довжини неосновних носіїв заряду І_ н н з , глибини поглинання довжини хвилі фонового випромінювання 1/а ф та глибини залягання р-п переходу h P n, крім цього глибина поглинання робочої довжини хвилі 1/(хр повинна бути більша за глибину поглинання довжини хвилі фонового випромінювання 1/а ф , при цьому омічний контакт із зворотного боку повинен мати отвір, проекція якого співпадає з площиною фоточутливої області, а уся конструкція розвернута до джерела оптичного випромінювання зворотним боком Тому, ознаки, що не зустрічаються ні в одному з аналогів "товщина напівпровідникової підкладки фотодюду - Н, глибина поглинання робочої довжини хвилі - 1/сір, глибина поглинання довжини хвилі фонового випромінювання - 1/а ф , дифузійна довжина неосновних носив заряду - І_ н н з , глибина залягання р-n переходу - h p n та ширина області просторового заряду - W,, повинні задовольняти системі нерівностей Н1/аф при цьому омічний контакт на зворотному боці напівпровідникової підкладки має отвір, проекція якого співпадає з площиною фоточутливої області, а уся конструкція розвернута до джерела оптичного випромінювання зворотним боком" забезпечує заявленому об'єкту необхідний винахідницькій рівень Промислове використання корисної моделі не вимагає великих витрат, спеціальних матеріалів та технологій Оптичне випромінювання поглинається в напівпровідникових матеріалах на різних глибинах в залежності від довжини хвилі Більш короткохвильове випромінювання поглинається на невеликій глибині Більш довгохвильове - на більшій глибині Зокрема при освітленні кремнієвого фотодюду монохроматичним випромінюванням з довжиною хвилі ~1000нм його поглинання в основному здійснюється до глибини також -ЮООнм [3] Сонячне світло є прикладом фонового випромінювання для фотодюдів, які працюють в умовах відкритого повітря Поглинання сонячного світла здійснюється в кремнії на різних глибинах у широкому спектраль ному діапазоні, але досить велика його частина поглинається на глибині до ЮООнм Оскільки інфрачервона границя поглинання оптичного випромінювання в кремнії знаходиться на довжині хвилі 1100нм, очевидно, що більш довгохвильове випромінювання не здатне генерувати в ньому носи струму Таким чином для усунення впливу фонового випромінювання сонячного світла і упевненої реєстрації робочої довжини хвилі фотодюдом достатньо щоб глибина залягання р-n переходу в ньому була на такій відстані від поверхні фотодюду, яка приймає оптичне випромінювання, щоб переважна частина сонячного світла поглиналось не доходячи до нього Тоді НОСИ заряду, генеровані таким світлом, зможуть дістатися р-n переходу лише за рахунок дифузійного механізму і КІЛЬКІСТЬ їх буде незначна Тому незначним буде фотострум, генерований фоновим випромінюванням Ця умова може бути забезпечена, якщо кристал фотодюду розвернути до джерела оптичного випромінювання не фоточутливою областю, а зворотнім боком, на якому створено область високої концентрації носив струму для забезпечення омічного контакту Природно, що металізація цієї поверхні має бути не суцільна, а мати отвір, який повинен відповідати проекції фоточутливої області на цю поверхню Враховуючи те, що глибина поглинання робочої довжини хвилі ЮООнм становить -ЮООнм, дифузійна довжина носив заряду може досягати декількох сотень мікрон, а ширина області просторового заряду, в залежності від робочої напруги та концентрації неосновних носив заряду, може досягати від декількох десятків до декількох сотень мкм, товщину кристалу фотодюда можна обирати в широких межах, але не більше глибини поглинання робочої довжини хвилі і більше суми ширини області просторового заряду, дифузійної довжини неосновних носив заряду, глибини поглинання фонового випромінювання та глибини залягання р-n переходу Ефективність роботи такого фотодюда забезпечується при умові, що глибина поглинання робочої довжини хвилі більша глибини поглинання фонового випромінювання На кресленні подано схематичне зображення запропонованого фотодюда Фотодюд містить напівпровідникову підкладку (1), в якій сформовано фоточутливий елемент (2) через отвір у захисному окисному шарі (3) Над фоточутливим елементом вирощений захисний ізолюючий шар (4), через отвір в якому створений омічний контакт (5) Із зворотного боку напівпровідникової підкладки створено ізотопний до неї шар (6) для здійснення омічного контакту з шаром металізації (7), в якому сформовано отвір, площа якого відповідає проекції фоточутливої області на шар металізації Приклад конструкції фотодюда Фотодюд виконано на кремнієвій підкладці (1) р- типу провідності з питомим опором не менше ЮкОм товщиною 500мкм Фоточутливий елемент (область птипу провідності 2) створено методами пленарної технології шляхом дифузії фосфору через отвір у захисній масці з окису кремнію (3) товщиною 0,5 4877 1мкм Глибина залягання р-п переходу становить 4-5мкм Над фоточутливим елементом створено захисний шар з окису кремнію (4) товщиною ~150нм Із зворотного боку кремнієвої підкладки створено область р + - типу провідності (6) глибиною залягання 1мкм, завдання якого зменшення опору на межі металізщійний шар (7) - кремній (1) Через вікно у захисному шарі (4) створено контакт (5) з золота товщиною 0,7мкм Товщина шару металізації із зворотного боку (7) складає 0,5-1 мкм Фотодюд працює наступним чином При попаданні фонового випромінювання з довжиною хвилі менше робочої довжини хвилі на зворотний бік кристалу фотодіоду воно поглинається на глибіні 1/а ф , яка менше, ніж товщина кристалу фотодюда Н Оскільки товщина кристалу фотодюда більша, ніж сума глибини поглинання фонового випромінювання, дифузійної довжини неосновних носіїв заряду, ширини області об'ємного заряду та глибини залягання р-п переходу, переважна більшість генерованих фоновим випромінюванням Комп ютерна верстка А Крижанівський носив струму не досягає р-п переходу Тому внесок фонового випромінювання у фотострум фотодіоду практично зводиться до нуля і він не може впливати на корисний сигнал, генерований випромінюванням робочої довжини хвилі, яка поглинається на значно більшій глибині 1/ар Завдяки конструкції фотодіоду усе оптичне випромінювання робочої довжини хвилі поглинається в об'ємі фотодіоду, а генеровані ним носи заряду потрапляють до р-п переходу завдяки дифузійному та дрейфовому механізмам Джерела інформації 1 С Зи Фізика полупроводникоых ротборов т 2 -М Мир, 1984 -с 356 2 Ащеулов А А , Годованюк В Н , Добровольський Ю Г Оптимизация надежности кремниевых p-i-n фотодиодовпо теневому току // ТКЭА 1999 №1-2 -С 18-21 3 С Зи Фізика полупроводникоых ротборов т 2 -М Мир, 1984 -с 347 Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності вул Урицького 45 м Київ МСП 03680 Україна ДП Український інститут промислової власності' вул Глазунова 1 м К и ї в - 4 2 01601