CC BY
305
УДК 621.383.4:546
ВЛИЯНИЕ ОХРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ТЕМНОВЫЕ ТОКИ PIN - ФОТОДИОДОВ
В.Я. Нисков, Ф.В. Алексеев
Рассмотрены механизмы образования темнового тока в pin-фотодиодах и принцип действия охранного кольца. Изучена работа охранного кольца у пяти фотодиодов разных производителей, имеющих небольшие конструктивные различия. Исследовано влияние напряжения на охранном кольце на темновой ток фоточувствительного элемента при разных режимах работы охранного кольца
Ключевые слова: pin-фотодиод, охранное кольцо,
Кремниевые фотодиоды (ФД) с pin -конструкцией кристалла широко применяются в фотоприемниках, работающих в фотодиодном режиме, при детектировании излучений с длиной волны 0,4 - 1.1 мкм [1]. Фоточувствительным элементом (ФЧЭ) в таких ФД является мелкий р-п -переход, формируемый в кремнии с очень высоким удельным сопротивлением (i - типа)
Благодаря большой ширине области пространственного заряда (ОПЗ) ФЧЭ при обратном смещении эти ФД имеют малые барьерные емкости, высокие фоточувствительность и быстродействие. Фоточувствительность ФД снижается с увеличением их внутренних шумов, которые, в свою очередь, увеличиваются с ростом обратных (темновых) токов ФД. Поэтому проблема уменьшения темновых токов ФД актуальна и ее решение достигается использованием комплекса конструктивных и технологических мер.
1. Механизмы образования темнового тока в pin - ФД
Схему образования обратного тока ФЧЭ можно представить на двумерной модели планарного р-п-перехода с pin - конструкцией, которую имеют кристаллы выпускаемых серийно фотодиодов (ФД-141, ФД-342, ФД-344 и др.) (рис.1).
Планарный р-п переход ФЧЭ на рис.1 создан локальной диффузией донорной примеси
(П+-область) в высокоомный (10- 30 кОм см) кремний р-типа. При обратном смещении такого р-п-перехода его ОПЗ (обозначен пунктиром) расширяется преимущественно в сторону высокоомной подложки р-типа (на десятки -сотни мкм).
Обратный (темновой) ток в р+-п-переходах, изготовленных на широкозонных полупроводниках, например в кремнии, образуется за счет тепловой генерации пар свободных носителей заряда (НЗ) в ОПЗ [1] и рядом с ОПЗ (на расстоянии порядка диффузионной длины НЗ) Эта генерация происходит через глубокие энергетические центры генерации - рекомбинации, которые расположены
Нисков Валерий Яковлевич - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, тел. 8-910-243-7717
Алексеев Фёдор Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-908-137-2359
темновой ток
вблизи середины запрещенной зоне полупроводника. Наибольший вклад в образование обратного тока р-п - переходов ФЧЭ вносят те
области, в которых время жизни НЗ минимально.
t
Sr
“ р 1 1 < 1
1 *+ 1 L р- Si t 10 So ОПЗ
Рис. 1. Модель кристалла ФД с pin - конструкцией ФЧЭ
Обычно минимальное время жизни НЗ имеют на поверхности с высокой скоростью поверхностной рекомбинацией. Если на такую поверхность выходят края планарных р-п-переходов ФЧЭ, то именно эти краевые участки могут быть местом преимущественной генерации обратного тока.
Поэтому можно считать, что суммарная величина обратного тока ФЧЭ (!обр) включает две составляющие - объемную (!о) и поверхностную (!п), которые показаны стрелками на рис.1:
1обр = 1о + 1п = (8о до + 8п до), (1)
где So и Sп - площади сбора обратного тока в объеме и на поверхности р-п-перехода, соответственно (показаны на рис. 1 скобками);
до и до - плотности обратного тока,
собираемого в объеме и на поверхности.
Величина ^ определяется параметрами ^, до) , которые остаются сравнительно постоянными после изготовления кристалла.
Так So определяется топологией ФЧЭ, а плотность объемного обратного тока до зависит от времени жизни НЗ (те) в ОПЗ ФЧЭ[ 2 ]:
до = q п W / Te (2)
где q - заряд электрона;
п1 - собственная концентрации носителей в Si; W - ширина ОПЗ
Поверхностная составляющая обратного тока Ш зависит от параметров, которые могут изменяться в широких пределах как при изготовлении ФД, так и при их испытаниях и применении. К таким параметрам относятся:
1. Эффективная площадь сбора неосновных НЗ на поверхности ^п).
Величина Sп может сильно изменяться за счет спонтанного образования на поверхности
высокоомного кремния р-типа инверсионного слоя п-типа (канала) под действием положительного заряда в пассивирующем окисле и на границе раздела его с кремнием. Канал п-типа контактирует с п+-областью ФЧЭ, что увеличивает площадь ФЧЭ вдоль поверхности на расстояние, равное длине этого канала. При достаточной величине положительного заряда на поверхности п-канал может расширяться вдоль поверхности до края кристалла и ОПЗ ФЧЭ имеет площадь, которая равна площади всего кристалла.
2. Скорость генерации - рекомбинации неосновных НЗ вблизи поверхности может сильно (на несколько порядков) изменяться при изменении зарядового состояния поверхности (ее поверхностного потенциала) под действием разных переменных факторов [3].
При этом соответственно будет изменяться темп генерации неосновных НЗ и плотность обратного тока, собираемого на поверхности.
Кроме того, при расширении канала и ОПЗ до края кристалла обратный ток ФЧЭ дополнительно увеличивается за счет возрастания темпа его генерации на торцевых гранях кристалла, которые имеют механически нарушенную кристаллическую структуру (после резки пластин на кристаллы) и малое эффективное время жизни НЗ.
Из-за общего влияния указанных факторов поверхностная составляющая обратного тока может превышать объемную составляющую обратного тока и является главной причиной его нестабильности при изготовлении и применении ФД.
2. Уменьшение темновых токов ФЧЭ охранными кольцами.
Наиболее простым способом уменьшения обратного тока ФЧЭ ФД и повышения его стабильности является использование охранных колец (ОК), которые «перехватывают» поверхностную компоненту обратного тока ФЧЭ. На рис.2 показан кристалл ФД-141 с восьмигранной конструкцией, который содержит 4 ФЧЭ п+- типа (в форме секторов круга диаметром 14 мм) и ОК п+ -типа шириной 1000 мкм, окружающее все ФЧЭ на расстоянии 200 мкм от них.
И ФЧЭ и ОК формируют одновременной локальной диффузией доноров через окисную маску в р-подложку с удельным сопротивлением около 15кОм см, которая имеет на обратной стороне сильнолегированную р+-область.
Принцип действия ОК показан на рис. 3, на котором приведена эквивалентная электрическая схема кристалла, содержащего ФЧЭ и ОК и инверсионный канал п-типа на поверхности за пределами площадей ФЧЭ и ОК, при обратном смещении п+-р - переходов ФЧЭ и ОК.
Инверсионный канал на поверхности кристалла показан как распределенная цепь из элементарных (дифференциальных) частей: элементов поверхностного сопротивления Ri и
элементарных диодов Д1 с подключенными к ним сопротивлениями в объеме р-подложки Rin.
При обратном смещении ОК «собирает» обратный ток не только с площади ОК, но и с площади края кристалла (покрытой инверсионным каналом), включая торцы кристалла, а также с половины зазора между ФЧЭ и ОК, что показано стрелками на рис.3. Весь обратный ток ОК (!ок) собирается кольцевым контактом к ОК и направляется в источник питания ОК.
Рис. 2. Вид в плане -а) и сечение кристалла Pin - ФД с 4-я ФЧЭ и ОК -б) (не показаны пассивирующий окисел и шины металла)
Рис. 3. Эквивалентная схема края кристалла ФД с ОК и инверсионным каналом: Дфчэ, Док - р-п - переходы ФЧЭ и ОК; Rфчэ , Rок - сопротивления под ФЧЭ и ОК; Ri, Клі - элементы распределенных сопротивлений канала и подложки под ним
В этом случае обратный ток ФЧЭ (1фчэ) «собирается» только с площади самого ФЧЭ и половины зазора между ФЧЭ и ОК и его величина существенно уменьшается. Обозначим такой режим измерения обратного тока ФЧЭ «режим СОК» - т.е. «с подключенным ОК».
Если охранное кольцо отключено от источника обратного напряжения, то ФЧЭ будет «собирать» обратный ток не только с площади ФЧЭ, но и со всей площади за пределами ФЧЭ, до края кристалла (за счет наличия поверхностного канала).
Такой режим измерений обозначим «режим БОК» - т.е. «без подключения ОК».
Обратный ток ФЧЭ в режиме БОК (Ібок) будет равен: I бок = Ісок + I ок
где Ісок - обратный ток ФЧЭ в режиме СОК , а Іок - обратный ток ОК в том же режиме.
Отношение обратных токов ФЧЭ в режимах БОК и СОК назовем: «коэффициент перехвата тока охранным кольцом» (Кп): Кп = Ібок / Ісок.
Величина Кп изменяется при разных обратных напряжениях и для разных ФД, изготовленных разными производителями. Это объясняется различиями в конструкции и реальной технологии изготовления кристаллов ФД, как будет показано ниже.
3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
Исследовали 5 образцов ФД, которые в целом соответствовали приведенному выше описанию и рис.2. Однако их кристаллы имели перечисленные ниже конструктивно-технологические отличия друг от друга.
ФД1: В зазоре между ФЧЭ и ОК шириной 200 мкм имеется противоинверсионный р+-слой шириной 30 мкм, разрывающий инверсионный п-канал.
ФД2: Области ФЧЭ и ОК сформированы методом диффузии, противоинверсионные слои р+-типа отсутствуют, за пределами ФЧЭ и ОК имеется поверхностный п-канал;
ФД3: Области ФЧЭ и ОК сформированы методом ионного легирования (ИЛ), на поверхности кристаллов за пределами ФЧЭ и ОК создан слаболегированный (методом ИЛ бором дозой 1 мккул/см2) противоинверсионный р-слой.
ФД4, ФД5: Имеют низкие рабочие напряжения (20 В), противоинверсионные р+-области
отсутствуют, за пределами ФЧЭ и ОК имеется поверхностный канал п-типа
Мультиметром с цифровым отсчетом измерено темновое сопротивление п-каналов в ФД1 -ФД5 между ФЧЭ и ОК при разных полярностях тестового напряжения (табл.1).
Таблица 1
Темновое сопротивление п- канала__________
Образец ФД Темновое сопротивление канала, кОм
Плюс на ФЧЭ Плюс на ОК
ФД1 >> 200 >> 200
ФД2 230 130
ФД3 >> 200 >> 200
ФД4 9,3 8,4
ФД5 26 19
Из табл. 1 видно, что в ФД1 и ФД3 отсутствует сквозной канал
п-типа между ФЧЭ и ОК.
В ФД4 и ФД5 канал между ФЧЭ и ОК очень низкоомный с омической ВАХ, а в ФД2 этот канал имеет почти омическую ВАХ, но более высокое сопротивление.
Эти данные хорошо соответствуют результатам измерений напряжения на ОК в ФД1 -ФД5, наведенного при подаче обратного напряжения на их ФЧЭ (табл.2, рис. 4).
Таблица 2
Наведенное напряжение на ОК____________
ифчэ, В Наведенное напряжение на ОК, В
ФД1 ФД2 ФД3 ФД4 ФД5
1 0,007 0,45 0,011 0,96 0,86
2 0,007 0,79 0,013 1,93 1,73
3 0,007 1,08 0,015 2,9 2,6
5 0,007 1,58 0,018 4,81 4,32
10 0.08 2,52 0,027 9,53 8,56
12 0.09 0,03
15 0.015 0,035
20 0,108 3,88 0,043
25 0,318 0,50
30 0,608 0,057
40 1,385 0,068
60 3,58 0,091
80 0,115
100 0,136
120 0,16
160 0,21
200 0,263
ФД5П
І/ ФД41І
/ ж ФД21Ї ФДЗШ
О 10 20 30 40 50 60 70
Напряжение ил ФЧЭ. В
Рис. 4. Зависимость наведенного напряжения на ОК от напряжения на ФЧЭ
При малом сопротивлении канала между ФЧЭ и ОК наведенный потенциал на ОК быстро увеличивается с ростом напряжения на ФЧЭ (ФД4 и ФД5).
При большем сопротивлении канала (ФД2) наведенный потенциал на ОК меньше и нелинейно возрастает с ростом напряжения на ФЧЭ.
Очень мала величина наведенного потенциала на ФЧЭ в ФД3 до напряжения на ФЧЭ, равного 200 В, что объясняется отсутствием инверсионного канала.
В ФД1 наведенный на ОК потенциал заметно возрастает при увеличении обратного напряжения на ФЧЭ более 15-20 В. Это объясняется распространением ОПЗ от обратно смещенного п+-р - перехода ФЧЭ под противоинверсионной областью р+-типа шириной 30 мкм в направлении ОК и смыканием ее с инверсионным п—каналом примыкающим к ОК.
Экспериментально исследовано влияние обратного напряжения на ФЧЭ на его обратный ток и величину Кп при разных режимах работы ОК:
1) при изменении обратного напряжениях на ФЧЭ и отключении ОК от питания (режим БОК);
2) при изменении одинаковых обратных напряжений на ФЧЭ и ОК (режим СОК);
3) при изменении обратного напряжениях на ФЧЭ и КЗ между ОК и обратной стороной р-подложки;
4) при переменных, и различных напряжениях на ФЧЭ и ОК.
Электрическая схема, позволяющая реализовать все перечисленные режимы измерений, приведена на рис.5.
времени жизни НЗ: в ФД2 время жизни равно 60-70
мкс, а в ФД1 - 15-17 мкс.
Рис. 5. Электрическая схема измерений темновых токов ФЧЭ: ИП1, ИП2 - источники
напряжений; V -вольтметр; К1-К3 - ключи; R1 = 10 кОм, Я2 = 1 кОм
На рис.6 приведены графики зависимости коэффициента перехвата темнового тока ФД разных производителей (ФД1 - ФД5)от напряжения.
Как видно из рис 6 величины коэффициента перехвата темнового тока Кп зависят от обратного напряжения на ФЧЭ и ОК по разному в разных ФД. В свою очередь это объясняется различной зависимостью от обратного напряжения величины обратного тока, который собирается в пределах площади ФЧЭ и за его пределами.
В ФД1 противоинверсионная р+-область эффективно экранирует ФЧЭ от краевых областей кристалла до обратных напряжений 15-20 В и величина Кп мала. С ростом напряжения величина Кп вначале резко а затем более медленно возрастает из-за увеличения вклада краевого обратного тока в ток БОК, поскольку экранирующее действие узкой р+-области уменьшается.
В ФД2 величина Кп слабо изменяется в диапазоне напряжений 10-140 В, а величины токов СОК и БОК меньше, чем в ФД1. Первое можно объяснить тем, что темп генерации обратного тока, собираемого в пределах площади ФЧЭ и за его пределами, одинаково зависит от напряжения что свидетельствует о высоком совершенстве краевых областей кристалла (за пределами ФЧЭ). Второе можно объяснить более высоким временем жизни неосновных НЗ в пределах всей площади кристалла. В ФД2 Это подтверждено прямыми измерениями
6,0
6 л
4.0
3.0
2.0 1.0 0,0
ФДЗ
ФД 4
О 50 100 150
Обратное напряжение на ФЧЭ и ОК. В
Обратное напряжение. В
Рис. 6. Зависимости коэффициента перехвата тока охранным кольцом от обратного напряжения
В ФД3 обратный ток в режиме СОК очень мал, а ток БОК его многократно превышает уже при малых обратных напряжениях, что приводит к большим величинам КП. Первое можно объяснить малой скоростью генерации обратного тока в пределах площади ФЧЭ, что косвенно свидетельствует о высоком времени жизни НЗ в объеме кристалла. Второе можно объяснить влиянием поверхностного инверсионного п-канала с
малым сопротивлением, который собирает обратный ток генерируемый на краях кристалла (включая торцевые области). С ростом обратного напряжения вклад краевых областей в генерацию обратного тока увеличивается
Качественно подобно ведет себя с ростом обратного напряжения величина Кп и в ФД4, однако сама величина Кп на порядок меньше, чем в ФД3 из-за значительно большего обратного тока в режиме СОК.
В противоположность ФД1 - ФД4 в ФД5 величина Кп уменьшается с ростом обратного напряжения. Это можно объяснить явлениями пробоя в низковольтной приборной структуре, которые по каким то причинам начинаются в пределах площади ФЧЭ при более низких напряжениях, чем в краевых областях кристалла.
Выводы
1. Кольцевой р-п переход вокруг фоточувствительных элементов ФД при его обратном смещении может многократно уменьшить темновые токи ФД.
Воронежский государственный технический университет
2. Эффективность действия охранного кольца зависит от величины обратного напряжения: на ОК: чем больше обратное напряжение тем более полно оно перехватывает обратный ток ФЧЭ.
3. Технология изготовления кристаллов ФД и их конструкция также влияют на эффективность ОК и необходимость его применения. При наличии инверсионных низкоомных каналов на поверхности кристалла использование охранных колец обязательно необходимо.
При создании эффективных
противоинверсионных областей р+-типа вокруг ФЧЭ и уменьшении повышенной генерации обратного тока в краевых областях кристалла необходимость использования ОК уменьшается.
Литература
1. Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники: Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.- 288 с.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Кн.1. Пер. с англ. - М.: Мир 1984. - 456 с.
3. Пека Г. П. Физика поверхности полупроводников. Киев.: Изд. КГУ, 1967. - 190с.
INFLUENCE OF SECURITY ELEMENTS ON DARK CURRENTS OF PIN - PHOTODIODES V.Ya. Niskov, F.V. Alekseev
Mechanisms of dark current generation in pin-photodiodes and principle of protective ring operation are considered. Working of protective ring of five photodiodes different manufacturers is investigated. The effect of voltage on the protective ring on thedark current of photodiode at different modes of working of the protective ring
Key words: pin-photo diode, security ring, dark current
