Физические процессы в лавинных фотоприемниках на основе структуры кремний-широкозонный слой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГВ од

На правах рукописи

САДЫГОВ Зираддин Ягуб-оглы

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛАВИННЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ.КРЕМНИЙ - ШИРОКОЗОННЫЙ СЛОЙ

(01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи УДК539.293: 537.529: 621.383

САДЫГОВ Зираддин Ягуб-оглы

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛАВИННЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ - ШИРОКОЗОННЫЙ СЛОЙ

(01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в Институте ядерных исследований Российской Академии Наук (г. Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Ю.А. Быковский доктор физико-математических наук, профессор

Ю.М.Попов

доктор физико-математических наук

В.А.Холодное

Ведущая организация:

Институт электроники Академии Наук Республики Беларусь (г.Минск).

Защита состоится ". /3 - 1997 г.

на заседании диссертационного Совета Д 053.03.09 при Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

доктор физико-математических наук,

профессор И.В.Евсеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Ударная ионизация полупроводника в области высоких электрических полей является основой многих современных лавинных приборов, таких как лавинные транзисторы, фотодиоды, стабилитроны, лавинно-пролетные диоды и другие. Физические основы ударной ионизации рассмотрены во многих монографиях и научных статьях, однако, к настоящему времени недостаточно изучены проблемы, связанные с нестабильность!) и пространственной неоднородностью лавинного процесса в ряде полупроводниковых приборов. Например, использование лавинных фотоприемников во многих прикладных и научных задачах часто ограничивается малым сроком службы и высоким разбросом коэффициента лавинного процесса по рабочей площади приборов. В ряде задач лазерной локации, в оптических устройствах памяти, а такие в ядерно-физических экспериментах требуются ыногоэлементные лавинные полупроводниковые фотоприемники с высоким коэффициентом усиления сигнала, способные работать при общем электрическом питании.

Решение вышеуказанных задач с помощьн традиционных лавинных фотодиодов СЛФД) затруднено из-за присутствия в реальных р-п-переходах локальных микропробоев (микроплазм), ограничивавших рабочую площадь и коэффициент усиления прибора. Микроплазмы проявляется как случайные импульсы тока больной амплитуды (от 10 мкА до 100 мкй), протекавшего во вневней цепи ЛФД. Появление микроплазменных импульсов в лавинном прибор связывают с неоднородностью кристаллической структуры полупроводника, т.к. в реальных кристаллах всегда содераатся вакансии, дислокации, разброс концентрации легирунщих примесей и другие неоднородности, приводящие к локальному понинении напрявения пробоя полупроводника.

з

К начала настоящей работы вироко обсувдался лавинный процесс в кремниевой ИДИ (металл-дизлектрик-полупроводник)-струк-туре. Значительный интерес к МДП-структуре объяснялся теи, что она позволяла получить более высокий коэффициент усиления, чей в ЛФД. Для понимания физики работы прибора требовались детальные исследования кинетики формирования фотоотклика и механизмов подавления микроплазменных импульсов в структурах типа кремний-широкозонный слой.

Целью настоящей работы являлись детальные исследования лавинного процесса в структурах кремний-двуокись кремния, кремний-карбид кремния и кремний-гидрогенизированный аморфный кремний. Для достикения поставленной цели реаались следующие задачи:

1. Исследования кинетики формирования фотоотклика в лавинных кремниевых структурах с диэлектрическими и резистивными широко зонными слоями.

2. Разработка физической модели лавинного процесса в структуре кремний-широкозонный слой с неоднородной полупроводниковой

подлойкой.

3. Исследование поверхностного растекания неосновных носителей заряда в инверсионном слое полупроводника и его влияние на характер лавинного процесса в кремниевых структурах.

4. Особенности усиления фототока в новых кремниевых структурах с пространственной локализацией лавинного процесса.

Научная новизна и практическая ценность работы обеспечивается тем, что в ней впервые исследованы амплитудные и частотные характеристики лавинного процесса в кремниевой НЛП-структуре при синусоидальном генерационном токе. Предлонена и реализована

возможность достиаения стабилизированного лавинного процесса в структурах типа металл-иирокозонннй резистивный слой-полупроводник (МРП-структура), Впервые исследована кинетика формирования фототока в лавинных ИРП-структурах на основе гетероструктур кремний-карбид кремния и кремний-гидрогекезированный аморфный кремний. Обнаруаено и исследовано растекание неосковных носителей заряда вдоль поверхности полупроводника, приводящее к пространственной неоднородности лавинного процесса в структурах типа кремний-широкозонный слой. Предлояены и реализованы способы, предотвращающие растекание заряда вдоль поверхности полупроводника. На основе полученных физических результатов созданы новые лавинные фотоприемники, имеющие значительно лучииг характеристики по сравнению с известными зарубекными аналогами (например, лавинными фотодиодами 52381 и 55343 известной японской фирмы НаиаааЬзи).

Основные научные половения работы, выносимые на защиту,

заклйчавтся в следующем:

I. Предложена математическая модель формирования фотоотклика в лавинной ЙДП-структуре, основанная на предполоаениях бесконечно тонкой толщины области умнояения и малых синусоидальных возмущений. Показано, что амплитуда фотоотклика и ее фаза относительно инициирующего лавину тока определяются параметрами как самой МДП-структуры (отношением емкостей диэлектрического слоя и области пространственного заряда полупроводника), так и регистрируемого светового потока (частотой и коэффициентом модуляции света).

2. Впервые установлено существование одновременно двух механиэмо£ отрицательной обратной связи мевду темпом лавинного процессе и количеством умнокенных носителей заряда в однородной ЙДП-структуре. Показано, что первый механизм, обеспечиваемый зарядом неосновных носителей, накапливаемых на границе 51-510^ моает преобладать на начальной участке работы структуры, а второй механизм, обеспечиваемый полей заряда умноненных основных носителей, становится определяющим после того, как проводимость инверсионного слоя превысит проводимость области пространственного заряда в полупроводнике .

3. Показано, что процесс растекания заряда вдоль поверхности полупроводника является основным фактором, определяющим пространственную однородность лавинного процесса в структурах типа кремний-иирокозонный слой. Выяснено, что по мере увеличения поверхностной проводимости инверсионного слоя на границе кремний-иирокозонный слой темп растекания усиливается, что приводит к дальнейшему ухудшению однородности лавинного процесса по площади структуры. Установлено, что с увеличением проводимости широкозонного слоя, обеспечивающего частичную утечку инверсионного заряда, отрицательная обратная связь становится более локализованной, в результате этого улучшается пространственная однородность лавинного процесса. При зтом максимальная величина проводимости иирокозонного слоя определяется дисперсией потенциала пробоя полупроводника.

4. Разработана физическая модель работы лавинных кремниевых структур с локальной флуктуацией потенциала пробоя, учитывающая нормальную и тангенциальную составляющие лавинного

тока на границе полупроводник-иирокозонный слой. Впервые теоретически предсказано и экспериментально обнаруяено существование области уменьшения флуктуации лавинного тока при увеличении коэффициента умнонения. Установлено, что вышеупомянутый характер изменения флуктуации тока связан с насыщением лавинного тока в независимых (без поверхностной утечки) каналах умнонения заряда в полупроводнике.

5. Установлено, что в экспериментальных образцах, изготовленных на базе гетероструктур кремний-карбид кремния и кремний-гидрогенезированный аморфный кремний могут осуществляться два механизма усиления фототока в зависимости от соотношения меяду электронной и дырочной проводимостью иирокозонного слоя. Первый механизм усиления, связанный с ударной ионизацией полупроводника, осуществляется в условиях преимущественно электронного типа проводимости широкозонного слоя, а второй механизм обеспечивается высоким уровнем дырочной инвекции со стороны металлического электрода, величина которой зависит от количества фотоэлектронов, накопленных на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой.

6. Обнаружена и исследована зависимость флуктуации лавинного тока от крутизны изгиба электрического поля в области пространственного заряда полупроводника. Установлено, что наблюдаемое уменьшение флуктуации лавинного тока при увеличении крутизны изгиба электрического поля связано с соответствувщим уменьшением дисперсии потенциала пробоя полупроводника. Предложен способ изготовления кремниевых структур с искусственным изгибом электрического поля в лавинной области полупроводника,

заключающийся в формировании матрицы из полусферически> резких р-п-переходов на рабочей поверхности кремния. Установлено, что лавинный процесс в такой стриктуре осуществляете! только в областях р-п-переходов, не имеющих токовой связу меаду собой}и> таким образом, осуществляется полная локализация отрицательной обратной связи, приводящая к увеличения коэффициента усиления сигнала более, чем в 1000 раз по сравнению с базовой (без р-п-переходов) структурой.

Мокно считать, что полученные в работе физические резуль таты определяют основу нового научного направления "Лавинные полупроводниковые структуры с локальной отрицательной обратно связью".

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубенних изданиях, а также докладывались и обсушдались на следующих Международных и Всесоюзных конференциях Всесоюзная конференция "Физические проблемы НДП- интвгральной электроники" ( г. Севастополь, 1980); II Всесоюзное совещание "Полупроводниковые детекторы ядерного излучения на иирокозонных натериалах'Чг. Новосибирск, 1983); Всесоюзное совещание по лавин ньш МДП приборам(г.Суздаль, 1985, 1986); XII Всесоюзная конференция по микрозлектроникеСг. Тбилиси, 1987); Всесоюзная конференция по физике и технологии тонких пленок(г.Ивано—Франковск, 1990); IU Всесоюзная конференция "Проблемы оптической памяти" (г.Телави, 1990); Seventh International conference on solid film and surfaces (Hsinchu, Taiwan, 1994); 3-rd European Syaposium " RADiation and their Effects on Coaponents and Systems", RftDECS'95 (Arcachon, France, 1995); 2-nd International Syuposium

on developaent and Application of Semiconductor Tracking Detectors (Hiroshima, Japan, 1995); First conference on " Neu developments in photodetection " (Beaune, France, 1996),

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,

б глав, выводов и списка литературы. Обдий объем......диссертации

составляет 137 страниц текста, включая 31 рисунок и 2 таблицы. Список литературы содеряит (кроме работ автора) 55 наименований.

Содержание работы. Во введении показаны актуальность и важность физических исследований лавинного процесса в полупроводниковых структурах. Сформулированы зачищаемые положения работы.

В первой главе анализируются работы, посвященные исследованию процессов ударной ионизации и лавинного умножения носителей заряда в полупроводниковых структурах. Обосновывается выбор направления исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты исследования особенностей лавинного умножения носителей заряда в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура).

Особенности формирования фотоотклика в НДП-структуре при нестационарном инициирующем лавину токе связаны с эффектом "самогаиения" лавинного процесса. Зто вызвано тем, что умноаенные носители заряда накапливаются на границе Si-SiOj, , экранируя электрическое поле в области лавинного процесса, в результате чего коэффициент умноаения лавинного процесса уменьшается за время длительности светового импульса.

Исследования кинетики формирования фотоотклика лавинной МДП-структуры в настоящей работе проведении с помощью модели,

основанной на предполоиениях малых синусоидальных возмещений и бесконечно тонкой толщины лавинной области в полупроводнике. В рамках указанных предполокений получены аналитические решения уравнения непрерывности компонент тока на границе 51-510а и уравнения Пуассона, написанного для ОПЗ полупроводника.

На рис.1 представлен фотоотклик лавинной НДП-структуры на синусоидально модулированный свет. Видно, что фотоотклик лавинной МДП-структуры напоминает диффренциал истинной формы светового сигнала, ймплитуда фототока затухает со временем, а фаза ее опережает фазу амплитуды падающего на структуру излучения. Выяснено, что декремент затухания, фаза и амплитуда фототока определяются параметрами как самой МДП-структуры {отношением емкостей диэлектрического слоя и ОПЗ полупроводника), так и регистрируемого светового потока (частотой и коэффициентом модуляции света).

Ранее рассматривался только один механизм отрицательной обратной связи в МДП-структуре, вызванный.накоплением заряда неосновных носителей на границе Зх-Б!^ , экранирующего электрическое поле в лавинной области полупроводника. Установлено, что в МДП-структуре осуществляются одновременно два механизма отрицательной обратной связи менду темпом лавинного процесса и количеством умноженных носителей заряда в однородной МДП-структуре. Показано, что первый механизм, обеспечиваемый зарядом неосновных носителей, накапливаемых на границе может

преобладать на начальном участке работы структуры, а второй механизм, обеспечиваемый полем заряда умнояенных основных носителей, становится определяющим после того, как проводимость

Рис. 1. Нестационарный Фототок (а) и Фотоотклик; (б) лавинной МДП-структуры.

инверсионного слоя превысит проводимость области пространственного заряда в полупроводнике (т.е. при ^ & > —• ("Т^) где ^^-поверхностная подвивность электронов, (/-поверхностная плотность заряда в инверсионном слое полупроводника, ^-диэлектрическая проницаемость полупроводника, Ъ- -дрейфовая скорость носителей заряда, Й/-толщина ОПЗ при пробое поверхности полупро водника, //-диаметр канала умновения единичного электрона. Видно, что влияние второго механизма на характер лавинного процесса определяется отношением ¿„/^>

В экспериментах обнаружена деградация характеристик образцов лавинной МДП-структуры, связанная с инаекцией "горячих" носителей заряда из полупроводника в объем диэлектрика. Установлено что после каждого импульса питания в среднем 0,02% умноженных в полупроводнике носителей заряда инжектируются в зону проводимосл из которых около 0,ЗХ захватываются ловушками в объем! диэлектрика, в результате чего увеличивается рабочее напряжение структуры. Выяснено, что после протекания через 510,заряда

-5

величиной "10 К/с«*", соответствующего ~ 6 минутам чистого времен! работы прибора, наступает тепловой (необратимый) пробой диэлектрика ЫДП-структуры.

Третья глава посвящена исследованию влияния растекания неосновных носителей заряда вдоль поверхности полупроводника на пространственную однородность лавинного процесса в НДП и МРП структурах.

Известно, что локальное увеличение лавинного тока приводит к увеличению накопленного на границе полупроводник-широкозонный слой подвианого заряда, экранирующего электрическое поле в обласг

тях полупроводника с поникенным потенциалом пробоя. Однако, неравномерное распределение плотности поверхностных подвижных зарядов приводит к появление продольных электрических полей, вызывающих растекание этих носителей заряда вдоль границы полупроводник-зирокозонный слой. Уравнение полевого растекания носителей заряда мовет быть получено на основе уравнения непрерывности тока и уравнения Пуассона в предполояении малой толщины инверсионного слоя по сравнению с толщиной ОПЗ полупроводника.

Исследования показываит, что высокий темп лавинного процесса в небольшой области с радиусом}например, мкм может существенно "подавлять" коэффициент умнояения лавинного процесса на значительно больией площади МДП-структуры, причем скорость распространения этого воздействия достигает "10 см/сек.

В НРП-структуре влияние подвижного заряда распространяется до такого расстояния, на котором подвияные заряды успевают пол-ностьв уходить в контакты за счет утечки через вирокозонный слой (см. рис.2). Размер области структуры, где коэффициент умножения значительно уменьшен за счет растекания заряда, зависит от сопротивления широкозонного слоя. Например, при сопротивлении широкозонного слоя М0м*ыма , что соответствует удельному сопротивлении ~5*10 0м*см при толщине резистивного слоя ¿,.=0,1 мкм, радиус области лавинной структуры с пониженным (подавленным) коэффициентом умноаения превышает 500 мкм.

В четвертой главе приведены результаты исследования лавинного процесса в структуре металл-резистивный слой-полупроводник (НРП). Лавинная МРП-структура впервые предложена и экспериментально реализована на основе гетероструктур кремний-карбид

Рис.2. Характер поведения козффциента умножения лавинного процесса в окрестности неоднородной области полупроводника НРП-структуры: 1-Я~0,1 ' %-Rfl MÓh-M1 , 3- ~

кремния (SiC) и кремний-гидрогенизированный аморфный кремний (oí-Si :Н). МРП-структуры изготавливались на базе стандартных кремниевых пластин р или п типа проводимости с удельным сопротивлением от 1 до 10 Ом*см.

Резистивные слои наносились на кремниевув подловку ионно-плазыенным распылением SiC или путем плазмохимического осаиде-

ния из газовой смеси моносилана и аргона при температуре 30(Г С (Й-ЭИН). Благодаря достаточной проводимости резистивного слоя, МРП-структура работает при постоянном питающем напряжении. МРП-структура имеет несимметричную (диодную) вольт-амперную характеристику .-Величина-напряаения -соответствующей полярности - делится между резистивным слоем и полупроводником, причем основной потенциал падает в полупроводнике. При достижении приложенным к НРП-структуре потенциалом некоторого порогового значения в приповерхностной области полупроводника начинается лавинное умножение носителей заряда.

Отличительная особенность МРП-структуры состоит в том, что она не требует высокой стабильности питающего напряжения в отличие от структур на основе р-п переходов, поскольку в МРП-структуре начиная с некоторого напряжения коэффициент умножения лавинного процесса слабо зависит от величины приложенного напряаения (см. рис.3).

Таким образом,-показана возможность достижения однородного лавинного процесса в структуре металл-эирокозонный резистивный слой-полупроводник, называемый ИРП-структурой. Предложены и изготовлены образцы КРП-структур на базе гетеропереходов кремний-карбид кремния и кремний-гидрогенезированный аморфный кремний. Нстановлено, что в экспериментальных образцах могут осуществляться два механизма усиления фототока в зависимости от соотноие-ния между электронной и дырочной проводимостьи ширакозонного слоя. Первый механизм усиления, связанный с ударной ионизацией полупроводника, осуществляется в условиях преимущественно электронного типа проводимости аирокозонного слоя, а второй механизм обеспечи-

#

f

Iff

10s

.-6

Ю

MB

33

34 35 36 37 32 35

Рис.3. Вольт-амперная характеристика ИРП-структуры: 1-RJ.=50 Qm*mm* 2-Rr=l к0м*мм* 3-R^iO kOm^mm1:

вается высоким уровнем дырочной инвенции со стороны металлического электрода, величина которой зависит от количества фотоэлектронов, накопленных на границе полупроводник-иирокозонный резистивный слой.

В пятой главе рассмотрен процесс лавинного умножения носителей_заряда в МДП и МРЛ-структурахс__флуктуацией потенциала

пробоя полупроводника. В реальных полупроводниках часто содер-«атся вакансии, дислокации, разброс концентрации легирувщих примесей и другие неоднородности. Случайное распределение этих неоднородностей по поверхности полупроводника лавинной структуры приводит к соответствующему разбросу инициирующего лавину тока и потенциала пробоя, причем наибольший разброс коэффициента умножения достигается при изменении потенциала пробоя полупроводника.

Реальнуи лавинную структуру монно представить как структуру, состоящую, например, из Н участков, в пределах которых величина потенциала пробоя является постоянной. Тогда вопрос влияния неоднородности потенциала пробоя на характер лавинного процесса сводится к исследованию зарядовой связи между однородными участками гетероструктуры, обеспечиваемой поверхностной проводимостью границы раздела полупроводник-иирокозонный слой. При этом лавинный процесс будет определяться не только сопротивлением области яирокозонного слоя, расположенной над данным участком полупроводника, но и величиной сопротивления поверхностной утечки заряда из этого участка. В результате коэффициент умнояения будет определяться наименьшим из этих двух сопротивлений.

В расчетах максимальное отклонение потенциала пробоя от его среднего значения принималось равным 0,03%, что характерно только для сверхчистых кремниевых пластин с высокой однородностьв

легирующих примесей. Кривая 1 на Рис.4 соответствует лавинной ЙРП-структуре с высокой поверхностной проводимостью полупроводника, т.е. прототипу традиционных лавинных фотодиодов.

В лавинной ИРП-структуре, в которой отсутствует поверхност-

__кая. -проводимас1ь-по---храниця раздала_полупроводник-резистквный_

слой, осуществляется локальная (внутри кавдого участка структуры с фиксированным потенциалом пробоя) отрицательная обратная связь мевду коэффициентом умножения и падением напряжения в резистивном слое (кривые 2-4). В результате этой обратной связи величина относительной дисперсии Б после достижения своего максимума значительно падает с увеличением среднего значения коэффициента умновения (М). Характер изменения 0 определяется величиной сопротивления резистивного слоя.

Следует отметить, что поведение относительной дисперсии коэффициента усиления, представленного на рис.4 . представляет больиую практическуш значимость. Фактически, рассмотренная здесь модель работы лавинной гетероструктуры предсказывает возможность создания лавинных полупроводниковых фотоприемников с высокой однородностью характеристик. Поскольку шум-фактор (Р) фотоприемника определяется как Р=1+0, то зависимость Р от М будет иметь участок с уменьшением величины шум-фактора при увеличении коэффициента умноаения. Это свойство лавинной гетероструктуры является уникальный среди аналогичных фотоприемников с внутренним усилением сигнала.

Таким образом, для достивения однородного лавинного процесса по всей рабочей плоцади прибора следует принимать меры, предотвращающие растекание заряда вдоль границы раздела полупро-

Рис.4, Относительная дисперсия коэффициента умножения лавинного процесса в зависимости от среднего значения коэффициента умножения в МРП-структуре с флуктуацией потенциала пробоя: 1-1}г=0, 2-Яг = 5 кОи#иш* 3- =20 кОа*аа* 4- =50 к0п*И1*

водник-широкозонный слой. Одним из способов уменьшения растекания является выбор оптимального сопротивления резистивного слоя при заданной величине разброса напрявения пробоя поверхности полупроводника. Другим способом предотвращения растекания заряда является формирование на поверхности полупроводника отдельных резких р-п-переходов размером 2 т 3 мкм с шагом около 10 мкм (см. рис.5),

19

••■" г -1.: ' \ % - ■ • - \\ , \ : • • Л:1.'

Ш> чф щр щ? ш>

Р-Я (1 Оп-сн)

Рис.5. Сечение лавинной структуры кремний-широкозонный слой-металл с искусственными неоднородностями на поверхности полупроводника.

Испытания экспериментальных образцов показали, что ЙРП-структура с р-п-переходами позволяет получить коэффициент усиления фототока более чем в 1000 раз выше по сравнению с базовой структуройСт.е.структурой без р-п- переходов, см. рис.б).

Установлено, что значительное увеличение коэффициента усиления фототока в структурах с областями п-типа проводимости достигается благодаря двум причинам. Первая связана со значительным уменьшением по сравнению с базовыми структурами доли темпового тока дырок, пересекающих область умножения носителей заряда. Например, дырочный ток. пересекающий границу раздела полупровод-

Рис. б. Коэффициент усиления импульсного фото'тока в ■МРП-структуре: 1- структура с искусственными каналами умножения заряда, 2- базовая структура.

ник-вирокозонный слой в промежутке между областями п-типа проводимости, не имеет возможности размножаться, тогда как значительная часть фотоэлектронов, созданных светом в этих промежутках, притягивается к р-п-переходам и умножается. Вторая причина связана с уменьшением флуктуации-напряжения пробоя полупроводника после формирования на его поверхности полусферических резких р-п-переходов. Этот факт подтверждается также результатами расчетов потенциала пробоя кремниевых плоских и сферических резких р-п-переходов в зависимости от концентрации примесей. • Обнаружено, что при аналогичных условиях флуктуация потенциала пробоя в сферических переходах значительно ниже, чем в плоских переходах.

Таким образом, экспериментально реализовано предсказание разработанной модели лавинного процесса в неоднородных кремниевых гетероструктурах, т.е. формирование в полупроводниковой подложке отдельных р-п-переходов приводит к локализации лавинного процесса, в результате чего коэффициент умножения лавинного процесса достигает высоких значений. Это стало возможным благодаря отсутствию поверхностной зарядовой связи между областями п-типа проводимости. Дело в том, что при протекании электронов из одной области п-типа проводимости в другую необходимо преодолевать потенциальный барьер высотой ~0,7 В, образованный на р-п-переходе. Таким образом сформировываются отдельные каналы (кикроканалы) умножения носителей заряда в ОПЗ полупроводника.

Пространственная однородность лавинного процесса в микроканальной МРП-структцре исследовалась с помощью электронного микроскопа. Инициирующий лавину • ток в полупроводнике создавался электронным лучом, сканировавшим рабочую площадь структуры.

Диаметр электронного пучка не превывал 0,1 мкм. Фотоотклик регистрировался в виде осциллограммы, соответствующей единичному проходу электронного луча вдоль поверхности НРП-структуры (рис.7 ). Обнарукено, что периодичность осциллограммы фототока

___повторяет_периодичность_располояения... .маленьких р-п-переходов,__

причем наименьший сигнал наблюдается в тот момент, когда электронный луч находится в центре полусферической n-области. Последнее связано с тем, что часть своей энергии электронный луч теряет внутри высоколегированной n-области. Несмотря на это микроканальная лавинная МРП-структура имеет достаточно высокую однородность фотоотклика по рабочей площади. Например, при энергии электронного пучка £г = 30 кзВ относительное отклонение фотоотклика по поверхности структуры не превышает 5% (см. кривая 2 на рис. 7 ).

Следует отметить, что расмотренная выше структура Si-SiC с локальными р-п-переходами обычно имеет значительно болыаий тем-новой ток по сравнению с обычным плоским р-п-переходом. Это связано с несовершенством границы раздела (барьера) гетероструктури. Исследования показали, что подавлявщую часть темнового тока составляет утечка тока через области границы раздела Si-SiC, не занятые локальными р-п-переходами. Поэтому для уменьшения темнового тока в МРП-структуре был использован слой Siûa толщиной около 0,1 мкм (см. вставку на рис.? ). Испытания показывают, что формирование слоя Si04 на части границы Si-SiC, не занятой локальными р-п-переходами, приводит к уменьшении темнового тока более, чем в 100 раз.

Таким образом, нами создан твердотельный ыикроканальный фотоприемник на базе лавинной МРП-структуры, являющийся адекват-

л

/

11 м,

, / V / / / / ?! и ? //{ ^ { Г ( п >\/ ? и гг

4

Ю 20 30 40 50 60 70

Рис.?. . Пространственная зависимость фотоотклика никроканальной лавинной МРП-стрцктцрк: 1- Ег = 1? кзВ , 1^=3*10 ; 2- =30 кэВ . Иу=5*1^ .

ным аналогом известным вакуумным микроканальным пластинам (МКП). Усиление фотоэлектронов в микроканальной НРП-структуре происходит в независимых каналах умножения, в которых коэффициент усиления фототока превышает десятки тысяч.

................В яестойглаве приведены.. результаты___исследования.харак- .

теристик двух типов лавинных многозлекентных фотоприемников, изготовленных на базе структур типа кремний-широкозонный слой. Многоэлементные фотоприемники выполнены в виде линейки отдельных фотоприемников, имеющих общее напряжение питания.

Линейка фотоприемников первого типа предназначена для регистрации слабых световых потоков в видимой и бликней инфракрасной областях спектра. В виду того, что коэффициент ионизации электронов в кремнии значительно превышает коэффициент ионизации дырок, фотоприемники этого диапазона излучений изготовлялись на кремниевой подлоаке р-типа проводимости.

Линейка лавинных фотоприемников имеет 34 элемента с иагом 250 ыкм. Площадь светочувствительных элементов линейки фотоприемников составляет 100x100 мкм'-. Испытания показали, что линейка лавинных фотоприемников имеет следующие характеристики в условиях

регистрации излучения с длиной волны Д = 630 нм: быстродействие

к

~5 не, чувствительность - 10 А/Вт, коэффициент усиления фотогока - до 5.10 , разброс чувствительности по элементам - не более 15%, рабочее напряжение - 3? В.

Исследования рабочих характеристик линейки лавинных фото-триемников в составе действувщего макета дискового голографичес-<ого запоминаащего устройства, проведенные совместно с НПО "Вега" '.г.Москва), показали возможность увеличения скорости считывания

информации более,чем в 10 раз ( до 100 Мбайт/с ), упрочения обра ботки оптических сигналов и уменьшения габаритов запоминающег устройства.

На базе кремниевых НРП-структур был разработан такке -16-элементный стриповый фотоприемник-.- Чувствительные элементы фотоприемника площадью 2 мм х 0,15 мм были располовены с интервалом в 0,3 мм, Нине приведены результаты сравнения одного элемента стрипового фотоприемника с зарубежным аналогом . Таблица 1.

Параметр ИРП-фото- АР0 52381

приемник (НашашаЬзи, Зарап)

Рабочее напрякение , В 3? 170

Коэффициент усиления 3000 450

Чувствительная площадь, мм*" 0,3 0.03

Порог чувствительности, элек-

трон 15 450

Быстродействие не .2 2

Результаты сравнения показывают, что разработанный нами лавинный фотоприемник по совокупности характеристик значительно превосходит зарубеаний аналог.

Благодаря низкому уровню собственных вумов стриповые НРП-фотоприемники могут регистрировать у«--излучения 5,9 кзВ) и релятивистские ( £€= 100 МзВ ) электроны (см. рис.8). Это делает возмоаным использование таких фотоприемников в различных научных и прикладных областях.

Рис.8, Амплитудное распределение выходных импульсов лавинной МРП-структура в режимах регистрации релятивистских электронов (£е=100 МзВ) и у— излучения С 5,9 кзВ).

Второй тип линейки лавинных фотоприемников разработан и изготовлен для регистрации слабых потоков излучения в области длин волн от 200 нм до 700 нм.

Линейка лавинных фотоприемников изготовлялась на основе кремниевой подложки п-типа проводимости, на поверхности которой формировался кремниевый слой р-типа проводимости толщиной около

-Wi lay A 10 ■

-11 10 ■

-a 10

-iOO'c

10

-16

T/K

30?

Рис.9. Температурная зависимость инициирующего лавину темнового тока.

0,3 мкм . Лавинный фотоприемник имел 8 элементов с диаметром 0,9 мм и шагом 1,05 мм С см. вставку на рис.9). Геометрические размеры линейки фотоприемников задавались требованиями конкретногс вершинного детектора, необходимого в физическом эксперименте (Intermediate Fiber Tracker, Padova, Italy).

окиси кремния)обогащенного кремнием(51х0у) толщиной 0,1 мкм. Затем на поверхности широкозонного слоя формировался прозрачный для

света слой П толщиной ?0 г 100 А . Испытания показали, что величина инициирующего лавину темнового тока в каадом элементе ли-

В качестве иирокозонного материала использовался слой

Рис.10. Спектральная зависимость квантового выхода лавинного МРП-фаториемника.

нейки при комнатной температуре составляет "10 рй, что соответствует темновому току лучших зарубежных аналогов. При уменьшении температуры темновой ток значительно падает (см. рис. 9 ). Низкая величина темнового тока при Т < 0* С позволяет регистрировать единичные фотоэлектроны при окне стробирования 30 - 50 не. При Т < -ЮСГ С темновой ток уменьшается до 10 ГА, что соответствует средней частоте темновых электронов около 10 кГц.

Измерения спектральной характеристики прибора показали его высокий квантовый выход в видимой и ультрафиолетовой областях длин волн (см. рис.10 ).

юХ Р

I ■ б ■ н-

2-

Ю"

10-

Рис, П. Зависимость шум-фактора от коэффициента усиления фототока.

Исследования аумовнх характеристик линейки лавинных фотоприемников выявили необычный характер поведения иум-фактора Г прибора при увеличении его коэффициента усиления (см. рис.И С увеличением коэффициента усиления величина коэффициента иума Р сначала линейно растет как в обычных лавинных фотодиодах, а после достижения некоторого максимального значения значительно падает. Такой характер поведения коэффициента шума является важным при регистрации слабых потоков излучения. Эффект насыщения и последующее падение коэффициента иука связано с насыщением коэффициента усиления фототока в отдельных каналах умножения в лавинном фотоприемнике.

Результаты проведенного анализа показывают, что в режиме регистрации слабых световых импульсов характеристики разработан-

Рис.12. Результаты сравнения лавинного МРП (MRS) фотоприемника с известными зарубежными аналогами.

ного нами лавинного МРП-фотоприемника значительно превосходят соответствующие характеристики известных лавинных фотодиодов. Подтверждением этому могут слуяить результаты, приведенные на рис.12 : амплитудные распределения лавинного МРП-фотоприемника и двух приборов фирмы Hamaaatsu (кремниевой лавинный фотодиод S5343 площадью 1 мм^ и ОЗУ R1828-01). Видно, что при одинаковых

условиях разработанный нами МРП-фотоприемник обеспечивает в 5 раз лучшее отношение сигнал/шум , чем зарубенний аналог.

Характеристики указанных приборов снимались при освещении их импульсами света, содержащими-350 и 75 фотонов с длиной волны

Л ~480 нм.________________.._„„_______._________________________________________________________________________________

Таким образок, на основе лавинных структур типа полупро-водник-вирокоэонный слой создан адекватный твердотельный аналог известным ФЗУ и "лавинным,фотодиодам, имеющий высокую чувствительность в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Разработанный лавинный фотоприемник по своим основным характеристикам значительно превосходит ( по отношению сигнал/шум в ■5г10 раз, а по чувствительности в 50^100 раз) известные зарубежные аналоги. Это стало возмокным благодаря новым физическим результатам, полученным в работе.

В целом моено сказать, что в работе созданы физические основы новых лавинных кремниевых фотоприемников с локальной отрицательной обратной связью.

Основные результаты, полученные в работе, заключаются в с.дедушек;

1. Разработана математическая модель формирования фотоотклика в МДП-структуре в условиях синусоидального генерационного тока и бесконечно тонкой толщины лавинной области полупроводника. Показано, что лавинная МДП-структура не воспроизводит истинную форму регистрируемого фототока. Амплитуда фотоотклика и ее фаза относительно инициирующего лавину фототока определяются параметрами как самой НДП-структуры (отношением емкостей диэлектрика и ОПЗ полупроводника), так и регистрируемого

светового потока (частотой и коэффициентом модуляции).

2. Предлокена методика определения темнового инициирующего лавину тока в МДП-структуре, основанная на измерениях релаксации лавинного тока на плоской вериине питающего напря«ения. Установлено, что инициирувщий лавину генерационный темновой ток в исследованных МДП-структурах составляет ~ 300 рй/мм*'.

3. Впервые установлено существование одновременно двух механизмов отрицательной обратной связи между темпом лавинного процесса и количеством умноженных носителей заряда в однородной МДП-структуре. Показано, что первый механизм, обеспечиваемый зарядом неосновных носителей, накапливаемых на границе БI10а, может преобладать на начальном участке работы структуры,

а второй механизм, обеспечиваемый полем заряда умноаенных основных носителей, становится определяющим после того, как проводимость инверсионного слоя превысит проводимость области пространственного заряда в полупроводнике .

4. Исследована деградация характеристик лавинной МДП-структуры, связанная с инаекцией "горячих" носителей заряда из полупроводника в объем диэлектрика. Установлено, что после какдого импульса питания в среднем 0,027. умноаенных в полупроводнике носителей заряда инаектирукяся в зону проводимости Б1, из которых около О.ЗИ захватываются ловушками в объеме диэлектрика, в результате чего увеличивается рабочее напряяение

структуры. Выяснено, что после протекания через 5I0а заряда -з „

величиной ~10 К/см , соответствующего ~ б минутам чистого времени работы прибора, наступает тепловой (необратимый) пробой диэлектрика МДП-структуры.

5, Исследовано влияние растекания неосновных носителей заряда на пространственнув однородность лавинного процесса в структурах типа кремний-широкозонный слой. Показано, что процесс растекания заряда вдоль поверхности полупроводника является

____основным фактором, определяющим пространственнув однородность-

лавинного процесса в структурах типа кремний-широкозонный слой. Выяснено, что по мере увеличения поверхностной проводимости инверсионного слоя на границе кремний-широкозонный слой темп растекания усиливается, что приводит к дальнейшему ухудшению однородности лавинного процесса по площади структуры. Установлено, что с увеличением проводимости широкозонного слоя, обеспечивающего частичную утечку инверсионного заряда, отрицательная обратная связь становится более локализованной, в результате этого улучшается пространственная однородность лавинного процесса. При этом максимальная величина проводимости широкозонного слоя определяется дисперсией потенциала пробоя полупроводника.

6. Впервые показана возможность достинения однородного лавинного процесса в структуре металл-широкозонный резистивный слой-полупроводник, называемый НРП-структурой. Предлокены и изготовлены образцы НРП-структур на базе гетеропереходов кремний-карбид кремния и кремний-гидрогенезированный аморфный кремний. Установлено, что в экспериментальных образцах, изготовленных на базе гетероструктур кремний-карбид кремния и кремний-гидрогенезированный аморфный кремний могут осуществляться два механизма усиления фототока в зависимости от соотношения ыенду электронной и дырочной проводимостью

широкозонного слоя. Первый механизм усиления, связанный с ударной ионизацией полупроводника, осуществляется в условиях преимущественно электронного типа проводимости широкозонного слоя, а второй механизм обеспечивается высоким уровнем дырочной инаекции со стороны металлического электрода, величина которой зависит от количества фотоэлектронов, накопленных на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой.

7. Обнарувена и исследована зависимость флуктуации лавинного тока от крутизны изгиба электрического поля в области пространственного заряда полупроводника. Установлено, что наблюдаемое уменьаение флуктуации лавинного тока при увеличении крутизны изгиба электрического поля связано с соответствующим уменьшением дисперсии потенциала пробоя полупроводника. Предлояен способ изготовления кремниевых структур с искусственным изгибом электрического поля в лавинной области полупроводника, заключающийся в формировании матрицы из полусферических резких р-п-переходов на рабочей поверхности кремния. Установлено, что лавинный процесс в такой структуре осуществляется только в областях р-п-переходов. не имеющих токовой связи между собой и, таким образом, осуществляется полная локализация отрицательной обратной связи, приводящая к увеличению коэффициента усиления сигнала более, чем в 1000 раз по сравнению с базовой (без р-п-переходов) структурой.

8. Исследован механизм формирования лавинного тока, инициированного единичным фотоэлектроном в окрестности потенциала пробоя полупроводника. Показано, что в условиях поверхностного потенциала полупроводника, не превышавшего потенциала пробоя,

коэффициент усиления фототока, инициированного единичным фотоэлектроном, не превышает отношения , где &( н ^ -

коэффициенты ионизации электронов и дырок в полупроводнике. При достиаении поверхностным потенциалом величины потенциала пробоя единичный фотоэлектрон вызывает протекание постоянного тока величиной где £ -время пролета носителей

заряда через область пространственного заряда. Для получения высоких коэффициентов усиления, необходимых при регистрации единичных фотоэлектронов, следует повысить поверхностный потенциал выше потенциала пробоя полупроводника. При этом установлено, что максимальная величина перенапрямения, определяющая величину коэффициента усиления фототока, обратно пропорциональна поперечной площади локализации лавинного процесса.

9, На основе полученных физических результатов разработаны и изготовлены линейки лавинных НРП-фотоприемников с числом элементов 8, 16 и 32 для применения в координатно-чувстви-тельных сцинтилляционных счетчиках ив устройствах гологра-фической памяти. Испытания показывают, что разработанные лавинные фотоприемники по основным характеристикам значительно превосходят ( по отношению сигнал/шум в 5 г 10 раз, а по коэффициенту усиления в 50 ^ 100 раз) известные зарубежные аналоги (например, лавинные фотодиоды 52381 и 55343 японской фирмы Наааг^зи).

Таким образом мо®но сказать, что в работе созданы физические основы новых лавинных кремниевых фотоприемников с локальной отрицательной обратной связью.

Результаты, представленные в диссертации, были выполнены

автором в научных лабораториях ИЯИ РАН (ОГДН, 1982-1995 г.) и

ОИЯИ СЛВЗ, 1995-1997 г,).

Основные результаты работы опубликованы в следующих изданиях:

1. З.Я.Садыгов. О кинетике формирования фотоотклика в лавинных ИДП- структурах,- Препринт ЙЯИ АН России, П-0434, 1985.

2. З.Я.Садыгов, Фотоотклик лавинный МДП-структуры,- Материалы Всесоюзного совещания по ФИЛ-приборам, Суздаль, 1986, с.9

3. М.Г.Акопян, А.Г.Гасанов, С.М.Савранский, З.Я.Садыгов.

К теории импульсного лавинного процесса в НДП-структурах,-Препринт ИЯИ АН России. П-0557, 1987.

4. И.М.Яелезных, З.Я.Садыгов, Фотоэлектронный умнонитель. Авторское свидетельство России N 1251748 от 15 апреля 1986 г., приоритет от 10 августа 1984 г,

5. И.Юелезных, А.Ф.Плотников, З.Я.Садыгов, В.3.Шубин. Полупроводниковые фотоприемники и проект экспериментов по глубоководному детектированию мюонов и нейтрино.- Краткие сообщения по физике ФИАН России, 1984, N5, с.19-22.

6. С.Я.Алейников, З.Я.Садыгов и др. 0 возмовности работы лавинных МДП— фотоприемников и других полупроводниковых элементов ядерно-физической аппаратуры в глубоководных условиях,- Краткие сообщения по физике ФИАН России, 1984, N5. с.23-25.

7. Гасанов А.Г., Садыгов З.Я. 0 нестабильности коэффициента усиления фототока в лавинной МДП-структуре,- Материала Всесоэзного совещания по лавинным ФИЛ-приборам, Суздаль, 1986, с.26.

В. З.Я.Садыгов, Т.В.Веаер. Влияние растекания заряда вдоль

поверхности полупроводника на характер коэффициента умновения в структуре кренний-йирокозонный слой,- Письма в ШТФ, 1997, т.23, в.8, с.72-76,

9. В.М.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Л.Тарасов, Н.Ю.Юсипов. Лавинный фотоприемник.- Патент России N 1644708 от 7 июня 1995 г., приоритет от 3 февраля 1989 г.

10. Й.Г.Гасанов, В.М.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Ю.Юсипов. Влияние локальных неоднородностей в полупроводниковой подлонке на характеристики лавинных фотоприемников.- Письма в ЕТФ. 1990, т.6, в.1, с.14-1?.

11. Й.Г.Гасанов, В.М.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Ю.Юсипов. Лавинный фотоприемник на основе структуры иеталл-резистивный слой-полупроводник.- Письма в ШТФ, 1988, т.14, в.8, с.706-709.

12. Й.Г.Гасанов, В.Н.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Ю.Юсипов. Фотоприемник с внутренним усилением на основе структуры кремний-карбид кремния-металл,- Микроэлектроника, 1989, т. 18, с.88-90,

13. В.М.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Ю.Юсипов, Новые лавинные МРП-фотоприемники,- Материалы Всесоюзной конференции "Проблемы оптической памяти", Москва, 1990, с.224.

14. Й.Г.Гасанов, В.М.Головин, В.Г.Летягин, З.Я.Садыгов, Н,Ю. Юсипов. Особенности усиления фототока в лавинных МРП-структурах.- Препринт ИЯИ АН России; П-0673, 1990.

15. В.Летягин, З.Я.Садыгов, Модель формирования импулсьного фототока в лавинном МРП-фотоприемнике.- Труды Всесоюзной конференции "Проблемы оптической памяти", Москва, 1990, с.203-204.

16. Z.Y.Sadygov, I .M.Zheleznykh, H.A.Malakhov, U.NJejer and

T.A.Kirillova. Avalanche Seaiconductor Radiation Detectors.-IEEE Trans. Hucl. Sci., 43, 3, (1996), p.1009-1013.

17. З.Я.Садыгов, H.¡Осипов, B.C.Винокуров, З.Х.Гуланян,-Многоканальная линейка лавинных фотодиодов для голографи-ческой ситемы памяти.- Труды Всесоюзной конференции "Проблемы оптической памяти", Москва, 1990, с.236-238.

18. Z.Ya.Sadygov. A.G.Sasanov, N.Y.Yusipov, U.H.fiolovin, E.H. Gulanian, Y.S.Vinokurov, A.U.Siaonov. The investigation of possibility to create the niultichannel photodiode based on the avalanche HRS-structure.-Proc. Int. Conf., The International Society for Optical Engineering, Zvenigorod, Russia, April 2-6. SPIE, 1991, v.1621, p.158-164

19. Z.Y.Sadygov, I .M.Zheleznykh, T,A.Kirillova. Novel light quantum and nuclear particle detecters based on the avalanche netal-resistivity layer-semiconductor structure.-Applied Surfase Science, 92, (1935), p.575-578.

20. Z.Y.Sadygov, I.M.Zheleznykh, A.E.Luk'yanov, A.Yu.Morozov. SEM investigation of avalanche matrix photodetector.- Proc. IX Russian SyiaposiUB on Scannig electron microscopy and analytical aethods of solids investigations. Chernogolovka, Russia, May 22-24, 1995, p.31-33.

21. В.М.Головин, З.Я.Садыгов, H.iQ.¡Осипов. Умножитель электронов.-Авторское свидетельство России К 1655258 от 8 февраля 1991 г., приоритет от 3 октября 1989 г.

22. А.Г.Гасанов, В.М.Головин, З.Я.Садыгов, Н.Ю.Юсипов. Лавинный фотопремник.- Авторское свидетельство России N 1702831

от 1 сентября 1991 г., приоритет от 11 октября 1989 г.

23. D.Bisello, Y.Gotra, U.3ejer, U.Kushpil, K.Kalakhov, D.Pontana fi.Paccagnella, Z.Sadygov, Metal-Resistive layer-Silicon (MRS) avalanche detectors with negative feedback. -KIM. 1935, A 360, p.83-86.

24. D.Bisello, Yu.Eotra, U.Jejer, U.Kushpil, N.Halakhov, D.Pantano fi.Paccagnella, Z.Sadygov. Electrical characteristics of Metal-Resistive layer-Silicon (MRS) avalanche detectors.- Nuclear Physics (8), 1935, 44, p.397-401.

25. S.fifanasiev, Vu.ftnisiaov, Vu.Eotra, U.3ejer, U.Kolesnikov, U. Kushpil, fi.Malakhov, N.Halakhov. S.Reznikov, Q.Sokol. Z.Sadygov, E.Tsyganov. MRS Silicon fivalanche Detectors with Negative Feedback for Tiae-Of-Flight Systeas.- Nuclear Physics В (Proc. Suppl.), 1995, 44, p.402-405.

26. D.Bisello. Yu.Gotra, UJejer, U.Kushpil, N.Halakhov, A.Paccagnella, Z.Sadygov, I.Stavitsky, E.Tsyganov. Silicon Avalanche Detectors with Negative Feedback as Detectors for High Energy Physics.- HIM. 1995, A 36?, p.212-214.

27. Bacchetta N.. Bisello D., Sotra U., 3.ejer U., Malakhov N.. Paccagnella A., Pantano D. and Sadygov Z. New type of

. netal-resistive layer-silicon avalanche detectors for visible and UU light detection.- NIM. 1998, A 383, p.263-265.

28. Bacchetta N.. Bisello D., Sadygov Z., et al. MRS detectors with high gain for registration of ueak visible and UU light fluxes.- NIM (Й), 199?. v.387, N 1-2, p. 225-230.

29. З.Я.Садыгов. Лавинный фотоприемник, Патент Российской Федерации, N 208604?. приоритет от 30 мая 1996 года.