CC BY
12
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.382.4
DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).4-8 ТРЕХЦВЕТНЫЙ СЭНДВИЧ ФОТОПРИЕМНИК НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ В.В.Гаврушко, А.С.Ионов*, В.А.Ласткин*, Н.И.Марченко* TRI-COLOR SANDWICH PHOTODETECTOR BASED ON SILICON
V.V.Gavrushko, A.C.Ionov*, V.A.Lastkin*, N.I.Marchenko*
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, [email protected]
*ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, [email protected]
Приводится описание конструкции кремниевого фотоприемника, содержащего три последовательно расположенных фотодиода. Диапазоны спектральной чувствительности по уровню 0,5 составили: для первого канала — 0,28 ... 0,52 мкм, для второго — 0,45 ... 0,95 мкм, для третьего — 0,9 ... 1,08 мкм. Приводятся сведения о технологии фотоприемника. Для получения мелкозалегающих слоёв первого канала проводилось ионное легирование донорной примесью. Второй канал формировался диффузией бора на небольшую глубину с пониженной поверхностной концентрацией. Инфракрасный канал создавался диффузией бора с тыльной стороны пластины на большую глубину. В работе приведены значения барьерной емкости и обратных токов фотодиодов.
Ключевые слова: сэндвич-фотоприемник, фотодиод, спектральный диапазон, барьерная емкость, обратные токи
The design of a silicon photodetector containing three consecutively located photodiodes is described. The ranges of spectral sensitivity at the level of 0.5 were: for the first channel 0.28 ... 0.52 microns, for the second 0.45 ... 0.95 microns, for the third 0.9 ... 1.08 microns. Information about the technology of the photodetector is provided. To obtain shallow layers of the first channel, ion doping with a donor impurity was performed. The second channel was formed by diffusion of boron to a shallow depth with a reduced surface concentration. The infrared channel was created by the diffusion of boron from the back of the plate to a greater depth. The paper gives the values of the barrier capacitance and reverse currents of photodiodes.
Keywords: sandwich photodetector, photodiode, spectral range, barrier capacitance, reverse currents
1. Введение
В последние годы наблюдается возрастающий интерес к разработке и выпуску многоцветных (многодиапазонных) фотоприемников. Эти приемники позволяют поместить в одном элементе устройство для спектральной фильтрации сигналов. При их использовании удается уменьшить габариты и массу, упростить конструкцию, снизить энергопотребление оптоэлектронных систем. Многомерность оптических сигналов, возможность принимать и обрабатывать в реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают многоспектральные оптико-электронные системы на первое место среди сложных систем автоматического обнаружения и распознавания сигналов на фоне естественных и организованных помех. Их преимущество проявляется в том, что оптимальным для обнаружения объекта может быть один спектральный диапазон, а для его идентификации и распознавания среди помех — другие. Такие системы уже находят широкое применение: при дистанционном зондировании Земли [1,2,3] и других планет [4], в экологическом мониторинге [5-9], в промышленности [10]. В военной технике они обеспечивают круглосуточную работу комплексов обнаружения стартовых позиций и запусков ракет, в устройствах ночного видения, головках пассивного самонаведения, авиационной разведки [11-16]. Исполь-
зуются также в медицине для диагностики ряда заболеваний, сельском хозяйстве и др.
В большинстве современных оптоэлектронных систем с умеренным спектральным разрешением используется несколько расположенных рядом приемников, чувствительных в различных узкополосных спектральных каналах. Недостаток таких систем связан с пространственным разнесением чувствительных областей, что требует устройства сканирования для идентификации объекта и связанное с этим невысокое быстродействие. Кроме того, данное обстоятельство существенно усложняет конструкцию системы.
В устройствах высокого разрешения можно использовать один приемник, чувствительный во всем рабочем диапазоне. Выделение спектральных каналов осуществляется в этих системах с помощью традиционных диспергирующих устройств (оптических фильтров, дихроичных зеркал, призм, дифракционных решеток, интерферометров), обеспечивающих высокое спектральное разрешение. Однако таким системам присущи свои недостатки. Так, при использовании оптических фильтров или дихроичных зеркал возможны заметные потери энергии излучения. Доля энергии, приходящейся на каждый отдельный спектральный диапазон, оказывается сниженной, что ухудшает отношение сигнал-шум. В других случаях, например, использование дифракционных решеток требует устройства сканирования по спектру и
не позволяет работать в реальном масштабе времени. Кроме того, конструкция таких систем сложна.
Более высокими потенциальными возможностями обладают системы на так называемых сэндвич-фотоприемниках. Чувствительные каналы в них расположены последовательно один за другим, что обеспечивает пространственную совместимость фотоприемников и не требует устройств сканирования. Разделение спектра сигнала происходит непосредственно в самом приемнике, что не требует сложных дифракционных устройств и позволяет существенно сэкономить на весе и стоимости системы. Сэндвич-фотоприемники могут быть изготовлены как многослойные с использованием последовательно расположенного ряда механически состыкованных фотоприемников [17-19]. Проблемами для таких фотоприемников являются потери излучения из-за отражения от поверхностей отдельных слоев, тем более что показатели преломления полупроводниковых материалов обычно имеют высокое значение (3 - 4). Использование промежуточных иммерсионных слоев может быть затруднено из-за проблем согласования термических напряжений в рабочем диапазоне температур.
Наиболее перспективными следует считать ге-тероэпитаксиальные фоточувствительные структуры, выполненные на одной подложке, свободные от указанных недостатков. Существенным сдерживающим фактором здесь является сложность технологии и высокая стоимость фотоприемников.
В настоящей работе предлагается вариант интегрально трехцветного сэндвич-фотоприемника, выполненного на единой кремниевой подложке.
2. Структура фотоприемника
При изготовлении фотоприемника мы стремились максимально использовать хорошо освоенные операции полупроводниковой кремниевой технологии. Традиционный спектральный диапазон для кремниевых фотоприемников обычно лежит в пределах 0,3 ... 1,1 мкм. Задача заключалась в разделении широкого спектрального интервала на три более узких поддиапазона, чувствительных в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Схематически структура фотоприемника представлена на рис.1.
Рис.1. Структура сэндвич фотоприемника
Фотоприемник представлял собой три последовательно расположенных фотодиода, чувствительных в разных спектральных диапазонах. Формирование спектральной характеристики каждого канала определялось размерами области собирания фотоносителей и спектральной зависимостью коэффициента поглощения излучения кремнием. Для коротковолнового (ультрафиолетового) излучения характерно поверхностное поглощение. При коэффициенте поглощения порядка 106 см-1 [20] область собирания фотоносителей должна составлять сотые доли микрона. Для средней (видимой) области коэффициент поглощения имеет значение порядка 104 см-1, что соответствует области собирания в единицы микрон. В длинноволновой (инфракрасной) области при невысоком коэффициенте поглощения (менее 103см-1 при длинах более 0,8 мкм) желательно иметь область собирания уже в десятки микрон.
3. Технология фотоприемника
Для реализации изложенных выше требований были разработаны индивидуальные варианты технологии выполнения каждого канала. Изготовление фотоприемника начиналось с формирования инфракрасного канала. С тыльной стороны исходной пластины п-типа проводилась диффузия бора на большую глубину, около 20 мкм. Это позволило при небольшом коэффициенте поглощения увеличить фоточувствительность путем добавления области собирания фотоносителей из р-слоя и расширить длинноволновую границу чувствительности. Коротковолновая граница определялась толщиной пластины (в нашем варианте это 250 мкм), которая играла роль абсорбционного фильтра.
Далее формировался р-п переход для видимого канала. Через окно в маскирующем окисле проводилась диффузия бора на глубину 2 мкм с пониженной поверхностной концентрацией при значении поверхностного сопротивления диффузионного слоя Rs ~ 300 Ом. Наличие градиента концентрации акцепторов приводило к появлению встроенного электрического поля, направленного таким образом, что оно было тормозящим для ультрафиолетового канала и ускоряющим для видимого.
Для получения мелкозалегающих слоёв ультрафиолетового канала производилось ионное легирование донорной примеси. С целью сокращения области собирания и уменьшения глубины р-п-перехода в качестве донора был выбран As, обладающий невысоким коэффициентом диффузии, что важно с учетом необходимости проведения послеоперационного отжига [21]. Легирование осуществлялось через диэлектрическую плёнку SiO2 толщиной ~ 60 нм. Это позволило снизить концентрацию радиационных дефектов и уменьшить величину проецированного пробега ионов. Легирование проводилось при сравнительно невысокой энергии — 50 кэВ и дозой 100 мкКл/см2. Величина проецированного пробега и дисперсии в соответствии с [22] составили 0,034 мкм и 0,012 мкм соответственно. Термический отжиг имплантированных структур производился в атмосфере аргона Т = 1050°С, t = 30 мин. После термического отжига
глубина залегания -перехода, измеренная по концентрационному профилю, составила около 0,15 мкм.
Рис.2. Внешний вид кристалла
Как было отмечено ранее, поскольку р-п-переход формировался в неоднородно легированной р-области, то возникало тормозящее электрическое поле, способствующее уменьшению области собирания для ультрафиолетового канала. Сокращение области собирания обеспечивало уменьшение длинноволновой границы чувствительности и повышение селективности для коротковолнового канала. Для устранения канала инверсии, вносимой зарядом окисла, и уменьшения токов утечки периферия кристалла легировалась бором высокой концентрации на глубину 1 мкм. Контакты формировались напылением алюминия на лицевую и обратную стороны с последующим вжиганием. На освещаемой стороне контакт выполнял функцию диафрагмы, предохраняющей от засветки периферию фотоприемника, что позволило уменьшить чувствительность верхнего p-n-перехода к ИК-излучению и защитить границу раздела SiO2-Si от деградации при длительном воздействии УФ излучения [23]. Размер чувствительной области составлял 2,7^2,7 мм2. Внешний вид кристалла приведен на рис.2.
4. Характеристики фотоприемника
Распределения спектральной чувствительности отдельных каналов приведено на рис.3. Как видно, фотоприемник обладает ярко выраженными тремя максимами в разных частях спектра. Диапазон чувствительности первого канала по уровню 0,5 составляет 0,28 ... 0,52 мкм и приходится на ультрафиолетовую и частично видимую области. Максимум характеристики соответствовал 0,4 мкм.
Второй канал с диапазоном 0,45 . 0,95 мкм захватывает видимую и ближнюю инфракрасную области с максимумом чувствительности около 0,78 мкм.
Третий канал приходится на инфракрасную область и расположен в диапазоне с максимумом чувствительности 1,02 мкм.
Для практического использования важными являются значения барьерной емкости р-п переходов, определяющие постоянную времени RC регистрирующих устройств. В табл.1 приведены значения емкостей трех каналов, измеренных при нулевом смещении. Как и следовало ожидать, емкость р-п перехода канала 1, выполненная в сильно легированных областях, имела более высокое значение.
Таблица 1
Значения барьерной емкости при нулевом смещении
Канал 1 3170 пФ
Канал 2 142 пФ
Канал 3 180 пФ
Результаты измерения обратных токов представлены в табл.2. Поскольку оптимальным режимом работы, обеспечивающим максимальную обнаружи-тельную способность фотодиода, является режим с близким к нулевому смещением, то в таблице приведены токи при небольшом смещении 0,3 В. Как видно, наиболее совершенным является канал 2, выполненный по традиционной планарной технологии. Более высокими оказались токи утечки третьего канала,
Длина волны,
Рис.3. Спектральные характеристики фотоприемника 6
что может явиться предметом совершенствования технологии фотоприемника.
Таблица 2
Значения обратных токов при смещении 0,3 В
Канал 1 71 нА
Канал 2 20 нА
Канал 3 2,2 мкА
5. Заключение
Таким образом, на основе кремния может быть изготовлен трехканальный сэндвич-фотоприемник с чувствительными областями в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Достоинством данного фотоприемника является возможность использования хорошо освоенных операций кремниевой технологии и, как следствие, невысокая стоимость производства. Такие фотоприемники могут быть полезны для создания недорогих быстродействующих оптических устройств различного назначения.
1. Gunapala S.D., Bandara S.V., Bock J.J. et al. Large format long-wavelength GaAS/AIGaAs multi-quantum well infrared detector arrays for astronomy // SPlE Proc. 2001. Vol.4288. P.278-285. doi: 10.1117/12.429415.
2. Schreer O., Zettner J., Spellenberg B. et al. Multispectral high-speed midwave infrared imaging system // SPlE Proc. 2004. Vol. 5406. P. 249-257. doi: 10.1117/12.429415.
3. Василевская В., Клемин С., Концевой Ю. и др. Многоспектральные фоточувствительные приборы // Фотоника. 2007. №4. C.18-23.
4. Silverglate P.R., Heffernan K.J., Bedini P.J. et al. Compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars (CRISM), characterization results for instrument and focal plane subsystems // SPlE Proc. 2004. Vol.5563. P.98-110. doi.org/10.1117/12.559882.
5. Engelhaupt D., Reardon P., Blaekwell L. et al. Autonomous long-range open area fire detection and reporting // SPlE Proc. 2005. Vol.5782. P.164-175. doi: 10.1117 / 12.605926.
6. Hinnrichs M., Piatek B. Handheld hyperspectral imager system for chemical/biological and environmental applications // SPIE Proc. 2004. Vol.5406. P.672-680. doi: 10.1117/12.540729.
7. Durand A., de Borniol E., Vinciguerra R. et al. IRFPA modeling: examples and applications in SWIR and LWIR // SPIE Proc. 2004. Vol.5612. P.304-314. doi: 10.1117 / 12.579358.
8. Чиков К Н., Панков Э.Д., Порфирьев Л.Ф. и др. Особенности построения бортовых оптико-электронных систем спектроэонального мониторинга // Известия вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 9. С. 61-68.
9. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. О применении кремниевых дифференциальных фотоприемников в качестве двухцветных // Труды XXV международной научно-технической конференции и школы по фотоэлектронике и приборам ночного видения. М., 2018. Т.2. С.385-388.
10. SoelMA., Rudman S., Ryan R. Multiview: a novel multispectral IR camera // SPlE Proc. 1997. Vol.3063. P.239-256. doi: 10.1117 / 12.276074
11. Torresan H., Turgeon B., Ibarra-Caslanedo C. et al. Advanced surveillance systems: combining video and thermal imagery for pedestrian detection // SPIE Proc. 2004. Vol.5405. P.506-515. doi: 10.1117/12.548359.
12. Svensson T., Renhorn I. Multispectral MWIR imaging sensor // SPIE Proc. 2003. Vol.4820. P.116-125. doi: 10.1117/12.452018.
13. Якушенков Ю.Г., Тарасов В.В. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. M.: Университетская книга; Логос, 2007. 192 с.
14. Oh J-S., Lee S.-H., Kim J-T., Choi J.-S. Two-color infrared counter- countenneasure based on the signal ratio between two detection bands for a crossed-ап'ау tracker // Opt. Eng. 2005. Vol.44(9). Р.096401.
15. Topaz J.M., Freiman D., Porat I. Dual-wavelength camera for long-range reconnaissance platforms // SPIE Proc. 2003 Vol 4820. P. 728-735. doi: 10.1117 / 12.451336.
16. Eisman M. Emerging research directions in air-to-ground target detection and discrimination // SPlE Proc. 2005. Vol. 5783. P. 674-683. doi: 10.1117 / 12.606718.
17. Гаврушко В.В., Сапожников А.А. Двухцветные сэндвич-фотоприемники // Петербургский журнал электроники. 2005. №3. С.31-38.
18. Гуляев Ю.В., Митягин А.Ю., Фещенко В.С., Чучева Г.В. Двухспектральные алмазные гибридные фотоприемники // Доклады академии наук. 2013. Т.450. №4. С.401-405.
19. Абрамова А.А., Гаврушко В.В. Двухцветные сэндвич-фотоприемники для пожарных извещателей // Вестник НовГУ. 2016. №4 (95). С.4-7.
20. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т.2. М.: Мир, 1984. С.346.
21. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению // Датчики и Системы. 2009. №6 (121). С.49-51.
22. Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983. 360 с.
23. Quchi H., Mukai T., Kamei T., Okamura M. Silicon p-n junction photodiodes sensitive to ultraviolet radiation // IEEE. 1979. Vol. ED-26. №12. P.1965-1969.
References
1. Gunapala S.D., Bandara S. K1 Bock J. et al. Large format long-wavelength GaAS/AIGaAs multi-quantum well infrared detector arrays for astronomy. SPlE Proc. 2001, vol. 4288, pp. 278-285.
2. Schreer O., Zettner J„ Spellenberg B. et al. Multispectral high-speed midwave infrared imaging system. SPlE Proc.,
2004, vol. 5406, pp. 249-257.
3. Vasilevskaya V., Klemin S., Kontseva Yu., Kostyukov E., Kuznetsov Yu., Chernokozhin V. Multispectral photosensitive devices. Photonics, 2007, no.4, pp. 18-23.
4. Silverglate P.R., Heffernan KJ., Bedini P.J. et al. Compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars (CR1SM), characterization results for instrument and focal plane subsystems. SPlE Proc., 2004, vol. 5563, pp. 98-110.
5. Engelhaupt D, Reardon P., Blaekwell L. et al. Autonomous long-range open area fire detection and reporting. SPlE Proc.,
2005, vol. 5782, pp. 164-175.
6. Hinnrichs M. Piatek B. Hand held hyperspectral imager system for chemical/biological and environmental applications. SPIE Proc., 2004, vol. 5406, pp. 672-680.
7. Durand A., de Borniol E., Vinciguerra R. et al. IRFPA modeling: examples and applications in SWIR and LWIR. SPIE Proc., 2004., vol. 5612. P. 304-314.
8. Chikov K N., Pankov E.D., Porfir'ev L.F. i dr. Osobennosti postroeniya bortovykh optiko-elektronnykh sistem spek-troeonal'nogo monitoringa [Features of the construction of on-board optoelectronic systems for spectroeonal monitoring]. Izvestiya vuzov. Priborostroenie, 2004, vol. 47, no.9, pp. 61-68.
9. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. O primenenii kremnievykh differentsial'nykh fotopriemnikov v kachestve dvukhtsvetnykh [On the use of silicon differential photodetectors as two-color]. Proceedings of the XXV international scientific and technical conference and school on photoelectronics and night vision devices. Moscow, 2018, vol. 2, p. 385-388.
10. Soel M.A., Rudman S., Ryan R. MULTIVIEW: a novel multispectral IR camera. SPlE Proc., 1997, vol.3063, pp.239-256.
11. Torresan H., Turgeon B. Ibarra-Caslanedo C. et al. Advanced surveillance systems: combining video and thermal imagery for pedestrian detection. SPIE Proc., 2004, vol. 5405, pp. 506-515.
12. Svensson T., Renhorn I. Multispectral MWIR imaging sensor. SPIE Proc., 2002, vol. 4820, p.2, pp. 116-125.
13. Yakushenkov Yu.G., Tarasov V.V. Dvukh- i mnogodiapa-zonnye optiko-elektronnye sistemy s matrichnymi priemni-kami izlucheniya [Dual and multi-band optoelectronic sys-
tems with matrix radiation detectors]. Moscow, Universitet-skaya kniga; Logos Publ., 2007, 192 p.
14. Oh J-S., Lee S.-H., Kim J-T., Choi J.-S. Two-color infrared counter- countenneasure based on the signal ratio between two detection bands for a crossed- array tracker. Opt. Eng., vol.44(9), 2005, p.096401.
15. Topaz J.M., Freiman D., Poral I. Dual-wavelength camera for long-range reconnaissance platforms. SPIE Proc., 2003, vol 4820, pp. 728-735.
16. Eisman M. Emerging research directions in air-to-ground target detection and discrimination. SPlE Proc., 2005, vol. 5783, pp. 674-683.
17. Gavrushko V.V., Sapozhnikov A.A. Dvukhtsvetnye send-vich-fotopriemniki [Two-color sandwich photodetectors]. Pe-terburgskiy zhurnal elektroniki, no. 3, 2005, pp. 31-38.
18. Gulyaev Yu.V., Mityagin A.Yu., Feshchenko V.S., Chucheva G.V. Dvukhspektral'nye almaznye gibridnye fotopriemniki
[Two-spectral diamond hybrid photodetectors]. Doklady Akademii Nauk vol. 450, no 4, 2013, pp. 401-405.
19. Abramova A.A., Gavrushko V.V. Dvukhtsvetnye sendvich-fotopriemniki dlya pozharnykh izveshchateley [Two-color sandwich photodetectors for fire detectors]. Bulletin of Novgorod State University, 2016, no. 4 (95), pp. 4-7.
20. Zi S. Fizika poluprovodnikovykh priborov [Physics of Semiconductor Devices]. Moscow, Mir Publ., 1984, v.2, p.346.
21. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Kremnievye fotopriemniki s vysokoy chuvstvitel'nost'yu k UF izlucheniyu [Silicon photodetectors with high sensitivity to UV radiation]. Sensors and Systems, 2009, no. 6 (121), pp. 49-51.
22. Rissel Kh., Ruge I. Ionnaya implantatsiya [Ion implantation]. Moscow, Nauka, 1983, 360 p.
23. Quchi H., Mukai T., Kamei T., Okamura M. Silicon p-n junction photodiodes sensitive to ultraviolet radiation. IEEE, 1979, vol. ED-26, no.12, pp.1965-1969.
