RU2528107C1 - Semiconductor avalanche detector - Google Patents
Semiconductor avalanche detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2528107C1 RU2528107C1 RU2013117055/28A RU2013117055A RU2528107C1 RU 2528107 C1 RU2528107 C1 RU 2528107C1 RU 2013117055/28 A RU2013117055/28 A RU 2013117055/28A RU 2013117055 A RU2013117055 A RU 2013117055A RU 2528107 C1 RU2528107 C1 RU 2528107C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- avalanche
- semiconductor regions
- individual emitters
- detector according
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 124
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 11
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 boron ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000004980 dosimetry Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодетекторам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц.The invention relates to the field of semiconductor devices, specifically to semiconductor avalanche photodetectors with internal signal amplification, and can be used to register weak streams of light quanta, gamma radiation and charged nuclear particles.
Устройства обнаружения и обработки оптической информации используются во многих научных и бытовых приборах. Ключевым элементом таких устройств является фотодетектор, преобразующий оптическую информацию в электрический сигнал. Основные рабочие параметры фотодетектора, такие как чувствительность и быстродействие определяют эффективность работы таких устройств. Традиционно, в таких оптических устройствах используются вакуумные фотоэлектронные умножители. Однако в последние годы были разработаны полупроводниковые фотоэлектронные умножители, являющиеся адекватными аналогами вакуумных фотоэлектронных умножителей.Optical information detection and processing devices are used in many scientific and household devices. A key element of such devices is a photo detector that converts optical information into an electrical signal. The main operating parameters of the photodetector, such as sensitivity and speed, determine the efficiency of such devices. Traditionally, such optical devices use vacuum photomultiplier tubes. However, in recent years, semiconductor photomultiplier tubes have been developed that are adequate analogues of vacuum photomultiplier tubes.
В настоящее время полупроводниковые фотоэлектронные умножители стали коммерчески доступны и могут применяться для регистрации единичных световых квантов в видимой и ИК областях оптического спектра. Полупроводниковые фотоэлектронные умножители состоят из множества независимых ячеек, в которых осуществляется гейгеровский режим усиления фотоэлектронов. В результате этого достигается уникальное сочетание быстрого фотоотклика (длительность фотоотклика ~5 нс) и большого усиления сигнала (~106). Однако для решения ряда прикладных задач требуется фронт нарастания фотоотклика меньше 1 нс. Кроме того, большой коэффициент усиления фотосигнала в полупроводниковых фотоэлектронных умножителях приводит к нежелательному эффекту - перекрестной оптической наводке (по-английски "cross-talk"). Этот эффект связан с тем, что большой коэффициент усиления (~106) фотосигнала сопровождается испусканием оптических фотонов в лавинной области полупроводника. Эти фотоны поглощаются в соседних ячейках фотодетектора и вызывают ложный запуск лавинного процесса. Поэтому приходится уменьшать коэффициент лавинного усиления фотосигнала до 104, что недостаточно для работы в режиме счета единичных фотоэлектронов.Currently, semiconductor photomultiplier tubes have become commercially available and can be used to register single light quanta in the visible and IR regions of the optical spectrum. Semiconductor photoelectronic multipliers consist of many independent cells in which the Geiger amplification mode of photoelectrons is realized. As a result of this, a unique combination of a fast photoresponse (photoresponse duration ~ 5 ns) and high signal amplification (~ 10 6 ) is achieved. However, to solve a number of applied problems, a front of increase in the photoresponse of less than 1 ns is required. In addition, the high gain of the photo signal in semiconductor photomultiplier tubes leads to an undesirable effect - cross optical interference (in English "cross-talk"). This effect is due to the fact that a large gain (~ 10 6 ) of the photo signal is accompanied by the emission of optical photons in the avalanche region of the semiconductor. These photons are absorbed in neighboring cells of the photodetector and cause a false start of the avalanche process. Therefore, it is necessary to reduce the coefficient of avalanche amplification of the photo signal to 10 4 , which is not enough to work in the counting mode of single photoelectrons.
Известно устройство, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой выполнена матрица из полупроводниковых областей, образующих с полупроводниковой подложкой р-n-переход. На поверхности полупроводниковых областей содержатся резистивный слой с определенной проводимостью и полупрозрачный для света полевой электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному полевому электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход устройства в видимой области спектра ввиду низкой прозрачности как резистивного слоя, так и полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению коэффициента усиления фототока в устройстве.A device is known that includes a semiconductor substrate, on the surface of which a matrix is made of semiconductor regions forming a pn junction with a semiconductor substrate. On the surface of the semiconductor regions there is a resistive layer with a certain conductivity and a field electrode translucent to light. The avalanche amplification of photoelectrons is carried out at the boundary of the semiconductor substrate with the semiconductor regions. In this case, an avalanche current flows to a translucent field electrode through a resistive layer located above these regions. The disadvantage of this device is the low quantum yield of the device in the visible region of the spectrum due to the low transparency of both the resistive layer and the semiconductor regions. In addition, the photoelectrons formed between the semiconductor regions do not have the ability to amplify, which leads to a decrease in the gain of the photocurrent in the device.
Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости, на поверхности которой последовательно расположены резистивный слой с определенной проводимостью, диэлектрический слой и полупроводниковый эпитаксиальный слой p-типа проводимости. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие высоколегированные полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Высоколегированные области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в p-n-переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов - диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящего к ухудшению чувствительности и отношения сигнал/шум устройства.A device / 2 / is known that includes an n-type semiconductor substrate, on the surface of which a resistive layer with a certain conductivity is sequentially arranged, a dielectric layer and a p-type semiconductor epitaxial layer. Inside the dielectric layer, stand-alone high-alloyed semiconductor regions of n-type conductivity are formed, having an exit from the one side to the resistive layer and from the opposite side to the epitaxial layer. Highly doped regions of n-type conductivity provide localization of the avalanche process in p-n junctions separated from each other by regions of the dielectric layer. The photosensitive layer in which photoelectrons are created is the epitaxial layer grown on the surface of foreign materials - dielectric and resistive layers. Therefore, the main disadvantages of the device are the complexity of the manufacturing technology of such epitaxial layers and a high level of dark current, leading to a deterioration in the sensitivity and signal-to-noise ratio of the device.
Известно также устройство /3/, взятое за прототип, включающее полупроводниковый слой, на поверхности которого расположены множество полупроводниковых областей, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-переходов с полупроводниковым слоем. Индивидуальные микрорезисторы соединяют полупроводниковые области с общей проводящей шиной, отделенной от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем. В устройстве каждая полупроводниковая область (пиксель) независимо от остальных может работать в режиме выше пробивного потенциала, то есть каждый пиксель в режиме гейгеровского счетчика. Поэтому коэффициент усиления фототока в устройстве может превышать 106. Однако, как было упомянуто выше, использование устройства при таких высоких коэффициентах усиления затруднено из-за появления перекрестных оптических наводок (по-английски "cross-talk"). Это является первым основным недостатком прототипа. Вторым основным недостатком устройства является недостаточно высокое быстродействие из-за высокой емкости, как самого пикселя, так и паразитных емкостей в устройстве. Здесь нужно отметить тот факт, что для заданного пикселя, усиливающего фототок, все остальные пиксели, не участвующие в усилении фототока являются паразитной емкостью.It is also known device / 3 /, taken as a prototype, including a semiconductor layer, on the surface of which there are many semiconductor regions that form potential barriers in the form of pn junctions with a semiconductor layer. Individual microresistors connect the semiconductor regions to a common conductive bus, separated from the semiconductor layer by a dielectric layer. In the device, each semiconductor region (pixel), independently of the others, can operate in a mode higher than the breakdown potential, that is, each pixel in the Geiger counter mode. Therefore, the photocurrent gain in the device may exceed 10 6 . However, as mentioned above, the use of the device at such high gain is difficult due to the appearance of cross optical interference (in English "cross-talk"). This is the first major disadvantage of the prototype. The second main disadvantage of the device is not high enough performance due to the high capacity of both the pixel itself and the stray capacitance in the device. Here it should be noted that for a given pixel that enhances the photocurrent, all other pixels that are not involved in the amplification of the photocurrent are stray capacitance.
Заявляемое изобретение направлено на снижение уровня перекрестных оптических наводок и улучшение быстродействия полупроводникового лавинного детектора. Для достижения этих технических результатов в полупроводниковом лавинном детекторе, включающем полупроводниковый слой, на поверхности которого сформированы множество полупроводниковых областей, образующих потенциальные барьеры с полупроводниковым слоем, общая проводящая шина, отделенная от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем, и индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с общей проводящей шиной, дополнительно сформированы новые элементы. Этими новыми элементами являются индивидуальные эмиттеры, сформированные на поверхности упомянутых полупроводниковых областей, дополнительная проводящая шина и дополнительные индивидуальные микрорезисторы, соединяющие индивидуальные эмиттеры с дополнительной проводящей шиной.The invention is aimed at reducing the level of crosstalk optical interference and improving the performance of a semiconductor avalanche detector. To achieve these technical results, in a semiconductor avalanche detector, which includes a semiconductor layer, on the surface of which many semiconductor regions are formed that form potential barriers with a semiconductor layer, a common conductive bus separated from the semiconductor layer by a dielectric layer, and individual microresistors connecting the semiconductor regions to a common conductive bus, additionally formed new elements. These new elements are individual emitters formed on the surface of said semiconductor regions, an additional conductive bus and additional individual microresistors connecting the individual emitters to the additional conductive bus.
Упомянутый полупроводниковый слой используют или самостоятельно для создания предложенного устройства или же его формируют путем эпитаксиального выращивания на поверхности полупроводниковых или диэлектрических подложек. Затем на поверхности полупроводникового слоя формируются необходимые элементы.Mentioned semiconductor layer is used either independently to create the proposed device or it is formed by epitaxial growth on the surface of semiconductor or dielectric substrates. Then, the necessary elements are formed on the surface of the semiconductor layer.
Заявляемое устройство, выполненное на поверхности полупроводникового слоя, включает в себя следующие варианты:The inventive device, made on the surface of the semiconductor layer, includes the following options:
- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of the same material as the semiconductor regions, but having the opposite conductivity type, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by homogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of a wide-gap semiconductor with respect to the semiconductor regions, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by heterogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;- individual emitters are made of metal material, i.e. a Schottky barrier forms between individual emitters and semiconductor regions;
Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности полупроводниковой подложки, т.е. полупроводниковый слой представляет собой эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности полупроводниковой подложки. В этом случае заявляемое устройство включает в себя следующие варианты:The semiconductor layer of the claimed device is made on the surface of the semiconductor substrate, i.e. the semiconductor layer is an epitaxial layer grown on the surface of a semiconductor substrate. In this case, the claimed device includes the following options:
- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of the same material as the semiconductor regions, but having the opposite conductivity type, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by homogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of a wide-gap semiconductor with respect to the semiconductor regions, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by heterogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;- individual emitters are made of metal material, i.e. a Schottky barrier forms between individual emitters and semiconductor regions;
Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности диэлектрической подложки. В этом случае включает в себя следующие варианты:The semiconductor layer of the claimed device is made on the surface of the dielectric substrate. In this case, includes the following options:
- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of the same material as the semiconductor regions, but having the opposite conductivity type, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by homogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;- individual emitters are made of a wide-gap semiconductor with respect to the semiconductor regions, i.e. potential barriers between individual emitters and semiconductor regions are formed by heterogeneous pn junctions;
- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;- individual emitters are made of metal material, i.e. a Schottky barrier forms between individual emitters and semiconductor regions;
Изобретение иллюстрируется на фигуре 1, на котором показано поперечное сечение полупроводникового лавинного детектора. Предложенный полупроводниковый лавинный детектор содержит полупроводниковый слой 1, на поверхности которого сформировано множество (матрица) полупроводниковых областей 2, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-перехода с полупроводниковым слоем. Каждая полупроводниковая область имеет индивидуальный микрорезистор 3, соединяющий ее с общей проводящей шиной 4. Микрорезисторы и проводящая шина изолированы от полупроводникового слоя 1 диэлектрическим слоем 5. На поверхности упомянутых полупроводниковых областей сформированы индивидуальные эмиттеры 6. Индивидуальные эмиттеры соединены с дополнительной проводящей шиной 7 посредством дополнительных индивидуальных микрорезисторов 8. В устройстве выполнен омический контакт 9 к полупроводниковому слою.The invention is illustrated in figure 1, which shows a cross section of a semiconductor avalanche detector. The proposed semiconductor avalanche detector comprises a semiconductor layer 1, on the surface of which a plurality (matrix) of semiconductor regions 2 are formed, which form potential barriers in the form of a pn junction with a semiconductor layer. Each semiconductor region has an individual microresistor 3 connecting it to a common conductive bus 4. The microresistors and the conductive bus are isolated from the semiconductor layer 1 by a dielectric layer 5. Individual emitters are formed on the surface of the said
Устройство работает следующим образом. К полупроводниковому слою 1 относительно проводящих шин подают потенциал с полярностью, соответствующей обратному смещению p-n-перехода, образованного между полупроводниковым слоем 1 и полупроводниковыми областями 2. Ввиду малых размеров (около 50 мкм×50 мкм) полупроводниковых областей в обедненном слое не всегда присутствуют носители заряда, и поэтому такие p-n-переходы малой площади (или пиксели) могут работать в режиме выше потенциала пробоя на 2-5 В. В отсутствие фотоэлектрона (или темновых носителей заряда) потенциал пикселя равен потенциалу индивидуального эмиттера, и поэтому ток через эмиттер равен нулю. В случае появления единичного фотоэлектрона в обедненной области пикселя происходит лавинный процесс и излишек напряжения, то есть ΔV~2-5 В, падает в индивидуальном микрорезисторе. При этом потенциал ΔV~2-5 B полностью открывает потенциальный барьер между пикселем (полупроводниковой областью) и индивидуальным эмиттером, в результате этого через индивидуальный эмиттер течет усиленный ток, который может ограничиваться только дополнительным индивидуальным микрорезистором. Таким образом, в устройстве сигнал сначала усиливается лавинным процессом в пикселе, а затем микротранзистором (структурой "индивидуальный эмиттер - полупроводниковая область - полупроводниковый слой"), выполненном на поверхности этого пикселя. Сигнал снимается с внешнего нагрузочного сопротивления, подключенного к электрической цепи дополнительной проводящей шины. Общий коэффициент усиления сигнала определяется как M0=Mav·Mtr, где Mav - коэффициент усиления лавинного процесса, Mtr - коэффициент усиления микротранзистора.The device operates as follows. A potential with a polarity corresponding to the reverse bias of the pn junction formed between the semiconductor layer 1 and the semiconductor regions 2 is supplied to the semiconductor layer 1 with respect to the busbars. Due to the small size (about 50 μm × 50 μm) of the semiconductor regions, charge carriers are not always present , and therefore, such small-area pn junctions (or pixels) can operate in a mode higher than the breakdown potential by 2–5 V. In the absence of a photoelectron (or dark charge carriers), the pixel potential is equal to the potential lu of an individual emitter, and therefore the current through the emitter is zero. In the case of the appearance of a single photoelectron in the depletion region of the pixel, an avalanche process occurs and the excess voltage, that is, ΔV ~ 2-5 V, drops in an individual microresistor. In this case, the potential ΔV ~ 2-5 V completely opens the potential barrier between the pixel (semiconductor region) and the individual emitter, as a result of which an amplified current flows through the individual emitter, which can be limited only by an additional individual microresistor. Thus, in the device, the signal is first amplified by an avalanche process in a pixel, and then by a microtransistor (structure "individual emitter - semiconductor region - semiconductor layer"), performed on the surface of this pixel. The signal is removed from the external load resistance connected to the electric circuit of the additional conductive bus. The total signal gain is defined as M 0 = M av · M tr , where M av is the gain of the avalanche process, M tr is the gain of the microtransistor.
Лавинный процесс разряжает емкость пикселя ниже потенциала пробоя, в результате этого лавинный процесс в пикселе гаснет, и как результат прекращается ток через микротранзистор. Таким образом, необходимый коэффициент усиления фототока, например M0=106, можно получить установив Mav=105 и Mtr=10. Это значительно понизит уровень оптической обратной связи в устройстве благодаря уменьшению коэффициента усиления лавинного процесса. Кроме того, в устройстве улучшается быстродействие, поскольку емкость (или площадь) микротранзистора значительно меньше емкости (площади) пикселя. Например, при типичных размерах пикселей (полупроводниковых областей) 50 мкм×50 мкм, размеры микротранзисторов не превышают 5 мкм×5 мкм.The avalanche process discharges the pixel capacitance below the breakdown potential, as a result of this, the avalanche process in the pixel goes out, and as a result, the current through the microtransistor stops. Thus, the necessary photocurrent gain, for example, M 0 = 10 6 , can be obtained by setting M av = 10 5 and M tr = 10. This will significantly reduce the level of optical feedback in the device due to a decrease in the gain of the avalanche process. In addition, the device improves performance, since the capacitance (or area) of a microtransistor is much less than the capacitance (area) of a pixel. For example, with typical pixel sizes (semiconductor regions) of 50 μm × 50 μm, the sizes of microtransistors do not exceed 5 μm × 5 μm.
Полупроводниковый лавинный детектор реализуют следующим образом. На поверхности полупроводникового слоя 1, например кремниевого слоя n-типа проводимости с удельным сопротивлением 2 Ом·см, формируют диэлектрический слой 5 из двуокиси кремния (SiO2) толщиной ~0,1 мкм путем термического окисления при температуре 1100°C. На поверхности окисла фотолитографическим способом вскрывают окна размером 40 мкм×40 мкм и с интервалом 10 мкм. Затем в этих окнах формируют полупроводниковые области 2 (пиксели) p-типа проводимости путем ионного легирования бором с дозой 10 мкКл/см2 и энергией 70 кэВ. После термической разгонки бора до глубины 1,5 мкм на небольшой поверхности (около 5 мкм×5 мкм) каждого пикселя формируют индивидуальный эмиттер путем ионного легирования фосфором с дозой 150 мкКл/см2 и энергией 100 кэВ. Разгонку фосфора производят до глубины 0,7 мкм. Контактные области к пикселям формируют путем дополнительного легирования небольшой площади полупроводниковых областей ионами бора с дозой 50 мкКл/см2 и энергией 70 кэВ. Микрорезисторы с поверхностным сопротивлением около 20 Ом/квадрат изготавливают из аморфного кремния путем осаждения из газовой фазы. Общую проводящую шину и дополнительную шину изготавливают из двухслойного металла (Ti+Al) путем ионно-плазменного напыления. Омический контакт 9 к полупроводниковому слою формируют напылением алюминиевого слоя на свободной лицевой поверхности полупроводникового слоя.A semiconductor avalanche detector is implemented as follows. On the surface of the semiconductor layer 1, for example, an n-type silicon layer with a specific resistance of 2 Ω · cm, a dielectric layer 5 of silicon dioxide (SiO 2 ) with a thickness of ~ 0.1 μm is formed by thermal oxidation at a temperature of 1100 ° C. On the surface of the oxide photolithographic method open the window size of 40 microns × 40 microns and with an interval of 10 microns. Then, p-type semiconductor regions 2 (pixels) are formed in these windows by ion doping with boron at a dose of 10 μC / cm 2 and an energy of 70 keV. After thermal acceleration of boron to a depth of 1.5 μm, an individual emitter is formed on a small surface (about 5 μm × 5 μm) of each pixel by ion doping with phosphorus at a dose of 150 μC / cm 2 and an energy of 100 keV. Phosphorus is distilled to a depth of 0.7 μm. Contact areas to the pixels are formed by additionally doping a small area of the semiconductor regions with boron ions with a dose of 50 μC / cm 2 and an energy of 70 keV. Microresistors with a surface resistance of about 20 ohms / square are made of amorphous silicon by vapor deposition. The common conductive bus and the additional bus are made of a two-layer metal (Ti + Al) by ion-plasma spraying. An ohmic contact 9 to the semiconductor layer is formed by sputtering an aluminum layer on the free face of the semiconductor layer.
Благодаря низкому уровню оптических перекрестных наводок и высокому быстродействию предложенный полупроводниковый лавинный детектор может найти широкое применение в качестве детекторов световых квантов и заряженных частиц как в фундаментальных исследованиях (ядерная физика, физика высоких энергий и др.), так и в прикладных областях (экология, дозиметрия, медицинская томография и др.).Due to the low level of optical crosstalk and high speed, the proposed semiconductor avalanche detector can be widely used as detectors of light quanta and charged particles both in basic research (nuclear physics, high-energy physics, etc.) and in applied fields (ecology, dosimetry , medical tomography, etc.).
Источники информацииInformation sources
1. Патент России №1702831, кл. H01L 31/06, 1997 (аналог).1. Patent of Russia No. 1702831, cl. H01L 31/06, 1997 (analog).
2. Патент США 5844291, кл. H01L 31/06, 1998 (аналог).2. US patent 5844291, CL. H01L 31/06, 1998 (analog).
3. Патент России 2102820, кл. H01L 31/06, 1998 (прототип).3. Patent of Russia 2102820, cl. H01L 31/06, 1998 (prototype).
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013117055/28A RU2528107C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Semiconductor avalanche detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013117055/28A RU2528107C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Semiconductor avalanche detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2528107C1 true RU2528107C1 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=51540240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013117055/28A RU2528107C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Semiconductor avalanche detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2528107C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650417C1 (en) * | 2017-04-25 | 2018-04-13 | Зираддин Ягуб оглы Садыгов | Semiconductor avalanche photodetector |
| RU2814514C1 (en) * | 2023-09-22 | 2024-02-29 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Semiconductor avalanche detector |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| 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 |
| US5880490A (en) * | 1997-07-28 | 1999-03-09 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Semiconductor radiation detectors with intrinsic avalanche multiplication in self-limiting mode of operation |
| RU2185689C2 (en) * | 2001-02-20 | 2002-07-20 | Головин Виктор Михайлович | Avalanche photodetector (versions) |
| RU2212733C1 (en) * | 2002-03-22 | 2003-09-20 | Институт ядерных исследований РАН | Semiconductor microchannel detector with internally amplified signal |
| RU2316848C1 (en) * | 2006-06-01 | 2008-02-10 | Садыгов Зираддин Якуб-оглы | Microchannel avalanche photodiode |
-
2013
- 2013-04-16 RU RU2013117055/28A patent/RU2528107C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| 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 |
| US5880490A (en) * | 1997-07-28 | 1999-03-09 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Semiconductor radiation detectors with intrinsic avalanche multiplication in self-limiting mode of operation |
| RU2185689C2 (en) * | 2001-02-20 | 2002-07-20 | Головин Виктор Михайлович | Avalanche photodetector (versions) |
| RU2212733C1 (en) * | 2002-03-22 | 2003-09-20 | Институт ядерных исследований РАН | Semiconductor microchannel detector with internally amplified signal |
| RU2316848C1 (en) * | 2006-06-01 | 2008-02-10 | Садыгов Зираддин Якуб-оглы | Microchannel avalanche photodiode |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650417C1 (en) * | 2017-04-25 | 2018-04-13 | Зираддин Ягуб оглы Садыгов | Semiconductor avalanche photodetector |
| RU2814514C1 (en) * | 2023-09-22 | 2024-02-29 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Semiconductor avalanche detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1840967B1 (en) | Photodiode array | |
| RU2290721C2 (en) | Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier | |
| US8778721B2 (en) | Array of mutually isolated, geiger-mode, avalanche photodiodes and manufacturing method thereof | |
| CN105810775B (en) | A kind of NP type single-photon avalanche diodes based on cmos image sensor technique | |
| CN104810377B (en) | A kind of single photon avalanche diode detector array element of high integration | |
| US10411051B2 (en) | Coplanar electrode photodiode array and manufacturing method thereof | |
| US8729654B2 (en) | Back-side readout semiconductor photomultiplier | |
| US11239382B2 (en) | Semiconductor photomultiplier | |
| CN113270507B (en) | Avalanche photodiode and photomultiplier detector | |
| CN101752391A (en) | Snow slide drifting detector with MOS fully-depleted drifting channel and detecting method thereof | |
| CN107342338A (en) | A kind of ultraviolet the snowslide drifting detector and detection method of more drift ring structures | |
| CN106784054A (en) | A kind of ultraviolet avalanche photodiode detector and its detection method | |
| CN103904152B (en) | Photoelectric detector and manufacturing method thereof and radiation detector | |
| CN115084295A (en) | Silicon photomultiplier structure applied to radiation and weak light detection and preparation method thereof | |
| US20140159180A1 (en) | Semiconductor resistor structure and semiconductor photomultiplier device | |
| CN106960852B (en) | Ultraviolet avalanche photodiode detector with drift channel and detection method thereof | |
| RU2528107C1 (en) | Semiconductor avalanche detector | |
| US10043936B1 (en) | Avalanche diode, and a process of manufacturing an avalanche diode | |
| RU2650417C1 (en) | Semiconductor avalanche photodetector | |
| RU2240631C1 (en) | Photodetector | |
| RU2212733C1 (en) | Semiconductor microchannel detector with internally amplified signal | |
| CN117954511A (en) | Grooved electrode single photon avalanche array, sensor and preparation method | |
| RU2316848C1 (en) | Microchannel avalanche photodiode | |
| Yuan et al. | A theoretical study of two novel SiC and GaN ultraviolet avalanche drift detectors with front-illumination | |
| RU2770147C1 (en) | Micropixel avalanche photodiode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200417 |