RU2284614C1 - Avalanche photodetector - Google Patents
Avalanche photodetector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2284614C1 RU2284614C1 RU2005118807/28A RU2005118807A RU2284614C1 RU 2284614 C1 RU2284614 C1 RU 2284614C1 RU 2005118807/28 A RU2005118807/28 A RU 2005118807/28A RU 2005118807 A RU2005118807 A RU 2005118807A RU 2284614 C1 RU2284614 C1 RU 2284614C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- layer
- avalanche photodetector
- region
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым приемникам, и может быть использовано для регистрации излучения различных диапазонов спектра и заряженных частиц.The invention relates to the field of microelectronics, namely to semiconductor receivers, and can be used to register radiation of various spectral ranges and charged particles.
Известен лавинный фотоприемник, работающий в режиме внутреннего усиления, описанный в "Proceedings supplements nuclear physics В", 61В(1998), р.347-352, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и сформированные на поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем области обратного по отношению к подложке типа проводимости и с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей. Он представляет собой новый тип микроячеистого полупроводникового фотоприемника, состоящего из N независимых идентичных p-n переходов, каждый из которых работает с ограниченной модой гейгеровского усиления на общую нагрузку. Ограничение лавинного процесса в каждой ячейке достигается за счет механизма обратной связи, возникающего как за счет падения напряжения на емкости ячейки (между локальной неоднородностью и полевым электродом), так и за счет объемного заряда. Однако ячейки в упомянутой конструкции имеют взаимосвязь за счет растекания заряда в сработавшей ячейке, что приводит к снижению потенциала в соседних ячейках и уменьшению их усиления, а также к образованию микроплазм, влияющих на процесс лавинного умножения. Увеличение расстояния между ячейками приводит к снижению квантовой эффективности и, следовательно, чувствительности к падающему излучению.A known avalanche photodetector operating in internal amplification mode described in "Proceedings supplements nuclear physics B", 61B (1998), p. 347-352, comprising a semiconductor substrate, a buffer layer, a field electrode and regions formed on the surface of the semiconductor substrate under the buffer layer of the region the conductivity type opposite to the substrate and with an increased concentration of dopants with respect to the substrate. It is a new type of microcellular semiconductor photodetector, consisting of N independent identical pn junctions, each of which works with a limited mode of Geiger amplification for the total load. The avalanche process in each cell is limited due to the feedback mechanism arising both from the voltage drop across the cell capacitance (between the local inhomogeneity and the field electrode), and due to the space charge. However, the cells in the aforementioned design have a relationship due to the spreading of the charge in the triggered cell, which leads to a decrease in the potential in neighboring cells and a decrease in their amplification, as well as to the formation of microplasmas that affect the process of avalanche multiplication. An increase in the distance between cells leads to a decrease in quantum efficiency and, therefore, sensitivity to incident radiation.
В лавинном фотоприемнике, наиболее близком к заявляемому по числу совпадающих признаков (RU, 2142175 C1, H 01 L 31/06, 1999 г.), повышение квантовой эффективности осуществляется путем увеличения коэффициента заполнения поверхности прибора рабочими активными элементами (элементами, в пределах которых осуществляется лавинное размножение носителей тока) с одновременным уменьшением взаимосвязи между ними. Приемник содержит полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод, дополнительный слой, граничащий с подложкой с большей, чем в ней, концентрацией носителей, области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, сформированные на свободной поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем, а также выполненные в полупроводниковой подложке между упомянутыми областями выемки на глубину, не меньшую глубины упомянутых областей, полностью отделяющие по поверхности подложки одну область от другой. При этом развязка между рабочими элементами достигается за счет определенного формирования поля на поверхности прибора, что позволяет обеспечить максимальную плотность рабочих элементов на полупроводниковой подложке и, следовательно, повысить отношение количества генерируемых прибором носителей к количеству упавших на него фотонов. Дополнительный слой служит для ограничения толщины ОПЗ, и наличие этого слоя снижает электрический потенциал между рабочими элементами. Однако возможно проникновение вторичного светового излучения, возникающего в рабочих элементах при протекании лавинного процесса, инициируемого внешними фотонами, попадающими на один из элементов фотоприемника, либо собственными шумами, на соседние элементы. Это ограничивает чувствительность и разрешающую способность фотоприемника.In the avalanche photodetector closest to the claimed one according to the number of matching features (RU, 2142175 C1, H 01 L 31/06, 1999), the quantum efficiency is increased by increasing the fill factor of the surface of the device with working active elements (elements within which avalanche multiplication of current carriers) with a simultaneous decrease in the relationship between them. The receiver contains a semiconductor substrate, a buffer layer and a field electrode, an additional layer adjacent to the substrate with a higher carrier concentration than in it, regions with an increased concentration of dopants in relation to the substrate, formed on the free surface of the semiconductor substrate under the buffer layer, and made in a semiconductor substrate between the said regions of the recess to a depth not less than the depth of the said regions, completely separating one region from the other on the surface of the substrate goy. In this case, the isolation between the working elements is achieved due to a certain formation of a field on the surface of the device, which ensures the maximum density of the working elements on a semiconductor substrate and, therefore, increases the ratio of the number of carriers generated by the device to the number of photons incident on it. An additional layer serves to limit the thickness of the SCR, and the presence of this layer reduces the electric potential between the working elements. However, the penetration of secondary light radiation arising in the working elements during the course of the avalanche process, initiated by external photons incident on one of the elements of the photodetector, or by their own noise, on neighboring elements. This limits the sensitivity and resolution of the photodetector.
Настоящее изобретение решает задачу повышения чувствительности и разрешающей способности лавинного фотоприемника, а также расширение области его применения путем более глубокой оптической и гальванической развязки отдельных его ячеек.The present invention solves the problem of increasing the sensitivity and resolution of the avalanche photodetector, as well as expanding the scope of its application by means of deeper optical and galvanic isolation of its individual cells.
Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, содержащем первый полупроводниковый слой, сформированные в первом полупроводниковом слое области с повышенной по отношению к нему концентрацией легирующих примесей, выполненные между областями выемки, размещенный в выемках диэлектрический слой, а также проводящий электрод и резистивный слой, введенный в контакт с каждой областью и проводящим электродом, дополнительно введен граничащий с первым второй полупроводниковый слой, а упомянутые выемки и расположенный в выемках диэлектрический слой углублены во второй полупроводниковый слой. Это позволяет практически полностью исключить возможность взаимного влияния отдельных рабочих зон между выемками (ячеек) фотоприемника при возникновении в зоне одной из них вторичных фотонов, рождаемых процессом лавинного усиления под воздействием внешних фотонов либо собственных шумов, обусловленных тепловыми процессами в приемнике. Первый полупроводниковый слой выполнен состоящим из двух подслоев с различной концентрацией носителей. Во втором полупроводниковом слое концентрация носителей по меньшей мере в пограничной зоне выше концентрации носителей в первом полупроводниковом слое. Контакт каждой области с резистивным слоем осуществляется локальным участком области, при этом концентрация легирующих примесей в упомянутом участке выше, чем в остальной части области. Ширина каждой области может быть выполнена меньшей расстояния между выемками. Поверх диэлектрического слоя в выемке выполнен светоизолирующий слой. Этот слой может быть выполнен заполняющим весь объем выемки. Светоизолирующий слой может быть выполнен проводящим и введен в контакт с проводящим электродом. Следствием вышеизложенного является улучшение шумовых харакетристик фотоприемника и его пространственного разрешения, что обеспечивает возможность регистрации менее интенсивных излучений вплоть до регистрации отдельных фотонов.The problem is solved in that in an avalanche photodetector containing a first semiconductor layer, regions with an increased concentration of dopants formed in the first semiconductor layer are made between the recess areas, the dielectric layer located in the recesses, as well as a conductive electrode and a resistive layer introduced in contact with each region and the conductive electrode, an additional second semiconductor layer adjacent to the first is introduced, and the said recesses and the dielectric located in the recesses rd layer are recessed in the second semiconductor layer. This makes it possible to almost completely eliminate the possibility of mutual influence of individual working zones between the recesses (cells) of the photodetector when secondary photons arise in the zone of one of them, generated by the process of avalanche amplification under the influence of external photons or intrinsic noises caused by thermal processes in the receiver. The first semiconductor layer is made up of two sublayers with different carrier concentrations. In the second semiconductor layer, the carrier concentration in at least the boundary zone is higher than the carrier concentration in the first semiconductor layer. The contact of each region with the resistive layer is carried out by the local region, while the concentration of dopants in the region is higher than in the rest of the region. The width of each region can be made smaller than the distance between the recesses. A light-insulating layer is made on top of the dielectric layer in the recess. This layer can be made filling the entire volume of the recess. The light-insulating layer may be made conductive and brought into contact with the conductive electrode. A consequence of the foregoing is an improvement in the noise characteristics of the photodetector and its spatial resolution, which makes it possible to register less intense radiation up to the detection of individual photons.
Изобретение поясняется описанием и приложенными к нему чертежами. На фиг.1 изображено поперечное сечение лавинного фотоприемника; на фиг.2 - топология фотоприемника.The invention is illustrated by the description and the accompanying drawings. Figure 1 shows a cross section of an avalanche photodetector; figure 2 - the topology of the photodetector.
Лавинный фотоприемник содержит первый полупроводниковый слой 1, граничащий с ним второй полупроводниковый слой 2, проводящий электрод 3 и резистивный слой 4 с высоким омическим сопротивлением. В полупроводниковом слое 1 сформированы области 5 с повышенной по отношению ко всему слою концентрацией легирующих примесей, каждая из которых образует активную ячейку фотоприемника. Возможное количество ячеек в одном фотоприемнике ограничено только технологическими возможностями производства и задачами регистрации излучения. Между областями 5 выполнены выемки 6, полностью отделяющие по поверхности первого полупроводникового слоя одну вышеупомянутую область, а следовательно, и ячейку фотоприемника от другой. На поверхности ячейки и в каждой из выемок 6 расположен диэлектрический слой 7. Выемки 6 и диэлектрический слой 7 углублены во второй полупроводниковый слой 2. Величина углубления может быть незначительной, но достаточной для перекрытия диэлектрическим слоем первого полупроводникового слоя до границы со вторым. Этим достигается практически полная гальваническая развязка рабочих ячеек фотоприемника. Часть диэлектрического слоя, размещенная на поверхности ячейки, может быть выполнена с просветляющим покрытием. Поверх диэлектрического слоя 7 в каждой из выемок 6 выполнен светоизолирующий слой 8, обеспечивающий оптическую развязку между ячейками. Он может быть выполнен как в виде слоя конечной толщины, так и полностью заполняющим весь объем выемки. Светоизолирующий слой 8 может быть выполнен проводящим и введен в контакт с проводящим электродом. В этом случае емкости, образующиеся между полупроводниковыми слоями и проводящим слоем в зоне расположения выемок, позволяют увеличить усиление фотоприемника. Контакт области 5 с резистивным слоем 4 осуществляется локальным участком области, концентрация легирующих примесей в котором может быть выше, чем в остальной части области, что также улучшает электрические характеристики прибора за счет уменьшения темновых токов. Ширина каждой из областей 5 может быть выполнена меньшей расстояния между выемками 6, при этом в краевых областях ячеек снижается напряженность электрического поля, расширяется спектральный диапазон фотоприемника. Первый полупроводниковый слой 1 выполнен состоящим из двух подслоев с различной концентрацией носителей (на фиг.1 линия раздела показана пунктиром) для снижения рабочего напряжения фотоприемника при сохранении толщины области пространственного заряда. Концентрация носителей во втором полупроводниковом 2, по меньшей мере в зоне 9 вблизи границы со слоем 1, выше концентрации носителей в слое 1. Этот прием облегчает технологический процесс изготовления фотоприемника и требования к подбору материалов. Лавинный фотоприемник может быть выполнен в виде различных модификаций, отличающихся типом проводимости и величиной концентрации носителей элементов поз. 5, 1 и 2, например (соответственно): n+-p-p+; p+-n-n+, n+-n-p+; р+-р-n+; n+-p+-p-p+; p+-p-n+-n, при этом предлагается соответствующий выбор легирующих примесей, их материалов и концентраций.The avalanche photodetector comprises a first semiconductor layer 1, a second semiconductor layer 2 adjacent to it, a
Лавинный фотоприемник работает следующим образом.An avalanche photodetector operates as follows.
К проводящему электроду 3 прикладывается напряжение, обеспечивающее образование в полупроводниковом слое 1 области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока, причем наибольшая напряженность поля устанавливается вблизи областей 5 либо вблизи полупроводникового слоя 2. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока. В случае возникновения в отдельной ячейке лавинного пробоя образуются свободные носители заряда, накапливаемые на границах ОПЗ ячейки, снижающие напряженность электрического поля в ней, при этом лавинный процесс в ячейке прекращается. После рассасывания заряда через резистивный слой напряженность поля повышается и лавинный процесс может возобновляться с прежней интенсивностью. Выемки 6 с размещенным в них диэлектрическим слоем 7 осуществляют гальваническую развязку между ячейками фотоприемника, препятствуя изменению напряженности электрического поля в ячейке при образовании лавинного процесса в соседних с ней ячейках. Кроме того, при больших значениях напряженности (перенапряженный режим работы) при образовании лавинного процесса в отдельной ячейке происходит испускание вторичных фотонов, которые могут инициировать лавинные процессы в других ячейках. Оптическую развязку ячеек обеспечивает светоизолирующий слой 8, нанесенный в выемках поверх диэлектрического слоя. Изобретение позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность фотоприемника, расширить его спектральный диапазон.A voltage is applied to the
Лавинный фотоприемник по настоящему изобретению используется для регистрации величины излучения малой интенсивности, в том числе в режиме счета отдельных фотонов, а также для регистрации заряженных частиц, в том числе при создании координатных систем.The avalanche photodetector of the present invention is used to register low-intensity radiation, including in the counting mode of individual photons, as well as to register charged particles, including when creating coordinate systems.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005118807/28A RU2284614C1 (en) | 2005-06-17 | 2005-06-17 | Avalanche photodetector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005118807/28A RU2284614C1 (en) | 2005-06-17 | 2005-06-17 | Avalanche photodetector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2284614C1 true RU2284614C1 (en) | 2006-09-27 |
Family
ID=37436621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005118807/28A RU2284614C1 (en) | 2005-06-17 | 2005-06-17 | Avalanche photodetector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2284614C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2360326C1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" | Solid geiger detector with active restorer |
| RU2468474C2 (en) * | 2007-04-24 | 2012-11-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Photodiodes and manufacture thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| RU2105388C1 (en) * | 1996-04-10 | 1998-02-20 | Виктор Михайлович Горловин | Avalanche photodetector |
| US5844291A (en) * | 1996-12-20 | 1998-12-01 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Wide wavelength range high efficiency avalanche light detector with negative feedback |
| RU2142175C1 (en) * | 1998-09-18 | 1999-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных технологий и аппаратуры" | Avalanche photodetector |
-
2005
- 2005-06-17 RU RU2005118807/28A patent/RU2284614C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| RU2105388C1 (en) * | 1996-04-10 | 1998-02-20 | Виктор Михайлович Горловин | Avalanche photodetector |
| US5844291A (en) * | 1996-12-20 | 1998-12-01 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Wide wavelength range high efficiency avalanche light detector with negative feedback |
| RU2142175C1 (en) * | 1998-09-18 | 1999-11-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр перспективных технологий и аппаратуры" | Avalanche photodetector |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2468474C2 (en) * | 2007-04-24 | 2012-11-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Photodiodes and manufacture thereof |
| RU2360326C1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Предприятие "Пульсар" | Solid geiger detector with active restorer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6090060B2 (en) | Single photon avalanche diode | |
| US6762473B1 (en) | Ultra thin back-illuminated photodiode array structures and fabrication methods | |
| US8912615B2 (en) | Shallow junction photodiode for detecting short wavelength light | |
| US6597025B2 (en) | Light sensitive semiconductor component | |
| US8558188B2 (en) | Method for manufacturing solid-state thermal neutron detectors with simultaneous high thermal neutron detection efficiency (>50%) and neutron to gamma discrimination (>1.0E4) | |
| US20020020846A1 (en) | Backside illuminated photodiode array | |
| US7105827B2 (en) | Semiconductor detector with optimised radiation entry window | |
| US8729654B2 (en) | Back-side readout semiconductor photomultiplier | |
| US7148551B2 (en) | Semiconductor energy detector | |
| CN106847960A (en) | A kind of single-photon avalanche diode and its manufacture craft based on deep N-well structure | |
| US11011656B2 (en) | Photodiode device and photodiode detector | |
| EP3646064B1 (en) | Semiconductor photomultiplier with improved operating voltage range | |
| JP4522531B2 (en) | Semiconductor energy detector | |
| US20130155283A1 (en) | Hardened photodiode image sensor | |
| EP2175497B1 (en) | Avalanche photodiode for ultraviolet photon detection | |
| RU2284614C1 (en) | Avalanche photodetector | |
| RU2142175C1 (en) | Avalanche photodetector | |
| KR102759280B1 (en) | Avalanche type photodetector (modified) and its manufacturing method (modified) | |
| EP1833095B1 (en) | Photo diode having reduced dark current | |
| RU2240631C1 (en) | Photodetector | |
| US8796743B2 (en) | Light-sensitive component | |
| KR102759354B1 (en) | Avalanche type photodetector (modification) and its manufacturing method (modification) | |
| JP7421233B2 (en) | Avalanche photodetector (variant) and method for manufacturing the same (variant) | |
| WO2025238487A1 (en) | Radiation sensor based on single photon avalanche diodes | |
| TW202527731A (en) | Method for producing buried p-n junction in BCD process, BCD substrate and single photon avalanche diode based thereon |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150618 |