УДК 621.383.52
БЛЫНСКИЙ В.И., ВАСИЛЕВСКИЙ Ю.Г.,

МАЛЫШЕВ С.А., ЧИЖ А.Л.
О СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
КРЕМНИЕВОГО СЕТЧАТОГО ФОТОДИОДА
ГНУ Институт электроники НАН Беларуси
220090, Беларусь, Минск-90, Логойский тракт 22,
Тел.281-33-27, факс 283-91-51,E-mail: blynski@inel.bas-net.by
В ряде областей техники, например, для систем дистанционного
управления телеаппаратурой, требуются кремниевые фотодиоды с
большой фоточувствительной площадью (>2 мм2), низкой емкостью и
высокой чувствительностью в ближней инфракрасной (ИК) области
спектра (0.85 мкм и 0,95 мкм) [1].
Одно из возможных конструктивных решений создания фото-
приемников с низкой емкостью заключается в создании фотодиода с
сетчатым p-n переходом [2]. Емкость и чувствительность таких фото-
диодов определяются разными факторами. Это дает основания пола-
гать, что при определенном шаге сетки и диффузионной длине неос-
новных носителей заряда в подложке возможно создание сетчатых p-n
переходов с низкой емкостью и приемлемой чувствительностью в ИК
области спектра. Мы исследовали спектральную чувствительность
таких фотодиодов в спектральном диапазоне 0,6-1,0 мкм.
Экспериментальные образцы фотодиодов со сплошным p-n пе-
реходом и с p-n переходом, p-область которого выполнена в виде сетки
с ячейками размером 50 и 110 мкм, были сформированы в кремнии
КЭФ-4.5 (рис. 1). Размеры сплошного и сетчатого p-n переходов со-
ставляли 1,621,62 мм и 1,871,87 мм, соответственно. Размеры по-
следнего были больше, чтобы компенсировать предполагаемое
уменьшение чувствительности сетчатого фотодиода в ИК области
спектра. Расстояние между ячейками составляло 10 мкм. P-N перехо-
ды формировались имплантацией бора без применения специальных
технологических методов по увеличению диффузионной длины неос-
новных носителей заряда. Диффузионная длина дырок в подложке
составляла 35÷40 мкм.
На рис. 2 представлены спектральные характеристики иссле-
дуемых фотодиодов. Видно, что чувствительность сетчатого фотодио-
да с размером ячейки 50 и 110 мкм в инфракрасной области спектра
меньше чувствительности сплошного фотодиода на 15% и 30%, соот-
ветственно.
При этом, несмотря на большие размеры, емкость сетчатого фо-
тодиода (125 пФ) была меньше емкости фотодиода со сплошным p-n
переходом (180 пФ).


0.4
0.3
/W AS,
50 m

0.2
110 m

0.10.6
0.7
0.8
0.9
1.0

, m

Рис. 1. Внешний вид тополо- Рис. 2. Спектральная характеристика
гии
сетчатого
фотодиода чувствительности сплошного (пунк-
с размером ячейки 110 мкм
тирная линия) и сетчатых фотодиодов
с размером ячейки 50 и 110 мкм.

Для теоретического анализа спектральной характеристики чув-
ствительности использовалась двумерная дискретная физико-
математическая модель фотодиода [2]. Результаты расчета приведены
на рис.3

0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
/W 0.3
/W
A
A
S,
S, 0.3
0.2
50 m

50 m

0.1
100 m

0.2
100 m

150 m

150 m

0
0.1
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
, m
, m

Рис. 3. Спектральная характеристика чувствительности фотодиода при
разных размерах ячейки (пунктирная линия соответствует сплошному фо-
тодиоду): a - диффузионная длина дырок 30 мкм, b - диффузионная длина
дырок 100 мкм.
Видно, что при увеличении диффузионной длины дырок в под-
ложке и уменьшении ширины ячейки спектральный диапазон, в кото-
ром чувствительность фотодиода с сетчатым p-n переходом превыша-
ет чувствительность сплошного фотодиода, расширяется в
инфракрасную область спектра. Использование техпроцесса изготов-
ления сетчатого фотодиода, обеспечивающего большую диффузион-
ную длину неосновных носителей заряда в подложке, приведет к соот-
ветствующему увеличению спектральной чувствительности сетчатого

фотодиода. Проведенный анализ показал, что в сетчатом фотодиоде
из-за того, что преобладающая часть излучения попадает в фотодиод
через ячейки, возникают два дополнительных фактора, влияющих на
спектральную чувствительность.
Первый фактор обусловлен тем, что в сетчатом фотодиоде по
сравнению с обычным фотодиодом расстояние от места генерации
дырок излучением в ячейках до p-n перехода увеличивается. Поэтому,
часть дырок вследствие влияния объемной рекомбинации не достига-
ет перехода, что приводит к снижению чувствительности. Причем
снижение чувствительности тем больше, чем больше ширина ячеек.
Второй фактор обусловлен тем, что вследствие малого количе-
ства дефектов скорость рекомбинационных процессов у границы раз-
дела Si-SiO2 в приповерхностной области ячеек меньше чем в p- об-
ласти кремния, подвергшейся имплантации. Поэтому вероятность
того, что дырки, генерируемые оптическим излучением в приповерх-
ностной области ячеек и диффундирующие туда из объема подложки,
достигнут p-n перехода и дадут вклад в фототок выше, чем для элек-
тронов, генерируемых излучением в p-области фотодиода. Это приво-
дит к тому, что чувствительность сетчатого фотодиода в видимой об-
ласти спектра превосходит спектральную чувствительность сплошного
фотодиода.
Первый из указанных механизмов доминирует преимуществен-
но в инфракрасной области спектра, тогда как второй - в коротковол-
новой области спектра. Вид спектральной характеристики зависит от
того, какой из них превалирует. Так, при большой диффузионной дли-
не и малой ширине ячейки преобладание второго фактора может при-
вести к превышению чувствительности сетчатого фотодиода по срав-
нению со сплошным фотодиодом даже в инфракрасной области
спектра.

1.В.И. Блынский, Е.Г. Лозицкий, П.И. Окунь. ИК-фотоприемник для
системы дистанционного управления телеаппаратурой. Электронная
промышленность. 1, 2004, с.12-13.
2. В.И. Блынский. Кремниевые n-i-p фотодетекторы с фронтальной
сетчатой областью легирования. Докл. 9 научн.-техн. конф. Датчики
и преобразователи информации систем измерения, контроля и
управления (Гурзуф, Украина, 1997), с. 256-257.
3 S. Malyshev, A. Chizh, Y. Vasileuski. Mixed device/circuit model of
high-speed p-i-n photodiode. Proc. 5th International Conf. Numerical
Simulation of Optoelectronic Devices (Berlin, Germany), 2005, p. 45-46.


Document Outline