Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю
P-n junction semiconductor photodetectors are widely used in various fields of science and technology, including automation and telecontrol, instrumentation equipment, tracking systems, guidance, etc. The most demanded photoelectronic devices are silicon p-i-n photodiodes (PD). Their main field of a...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.61 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1871284198310936576 |
|---|---|
| author | Kukurudziak, Mykola Dobrovolsky, Yuriy |
| author_facet | Kukurudziak, Mykola Dobrovolsky, Yuriy |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Mykola Kukurudziak",
"institution": "Rhythm Optoelectronics Shareholding Company, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Yuriy Dobrovolsky",
"institution": "Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kukurudziak, Mykola |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-20T12:54:00Z |
| description | P-n junction semiconductor photodetectors are widely used in various fields of science and technology, including automation and telecontrol, instrumentation equipment, tracking systems, guidance, etc. The most demanded photoelectronic devices are silicon p-i-n photodiodes (PD). Their main field of application are installations using laser beams of near IR optical radiation spectrum, λ = 1060 nm, in particular.The article provides considerations and limit requirements for production of high-responsivity silicon p-i-n photodiodes and making theoretical parameters consistent with real photodiodes made according to the design. Characteristic properties of technology, construction and final parameters of the manufactured four-element segment p–i–n photodiode with a guard ring are described.The authors describe the criteria for choosing the material for making high-responsivity photodiodes. Results of the theoretical design for the capacitance of the photodiode based on the materials of different resistivity are presented. A theoretically possible value for the dark current of the responsive elements and the guard ring is considered for the silicon of 18 kOhm·cm. Criteria for the thickness of the PD crystal and the doped areas that provide for the maximum width of the space-charge region are presented. The dependence of the current pulse monochromatic responsivity from the operating voltage of the photodiode is shown for substrates with different thickness.The photodiodes obtained during this study have the pulse monochromatic responsivity of 0.48 A/W, which is higher than that of commercial products of well-known foreign manufacturers. The results achieved demonstrate that this technology is effective and the assumptions made during the calculation stage are valid. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2021.1-2.61 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 61ISSN 2309-9992 (Online)
1
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
УДК 535.23:628.98:535.31:621.383.52:537.312.51:631.382
1М. С. КУКУРУДЗЯК, д. т. н. 2Ю. Г. ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ
Україна, м. Чернівці, 1ЦКБ Ритм;
2Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича
E-mail: mykola.kukurudzyak@gmail.com
КРЕМНІЄВИЙ p–i–n-ФОТОДІОД
ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ ІМПУЛЬСНОЮ ЧУТЛИВІСТЮ
Напівпровідникові фотоелектричні прилади з
p–n-переходами знайшли широке застосування в різ-
них галузях науки та техніки, зокрема в автоматиці
та телемеханіці, контрольно-вимірювальному облад-
нанні, системах стеження, наведення та ін. Поява до-
сконалих джерел монохроматичного випромінюван-
ня, модульованого частотами в сотні й тисячі мега-
герц, сприяє вдосконаленню відомих та розробці но-
вих типів фотоелектричних приладів, які перетворю-
ють світловий сигнал в електричний. Це робить ре-
альним втілення низки нових завдань електроніки, в
тому числі оптоелектроніки. Для виконання цих за-
вдань потрібні фотоприймачі із підвищеними харак-
теристиками — високою токовою монохроматичною
чутливістю, в тому числі імпульсною, мінімальною
ємністю, низькими темновими струмами фоточутли-
вого елемента (ФЧЕ).
До найбільш широковживаних приладів фотоелек-
троніки відносяться кремнієві p–i–n-фотодіоди (ФД).
Головна сфера їх застосування — в об’єктах, що ви-
користовують лазерні промені ближньої інфрачер-
воної області спектру оптичного випромінення, зо-
крема на довжині хвилі λ = 1060 нм. Хвилі такої до-
вжини випромінюють лазери на ітрій-алюмінієвому
гранаті (YAG), які широко застосовуються в різних
областях, серед яких вимірювання відстані (лазерні
далекоміри), застосування в науці (лазери з модульо-
ваною добротністю) та ін.
Фотоприймачі з p–i–n-структурою являють собою
дві тонкі низькоомні p- та n-області, між якими роз-
ташовано достатньо широкий високоомний, збідне-
ний вільними носіями і-шар. Якщо до такої структури
не прикладено зовнішньої електричної напруги, поле
в і-шарі є малим, і генеровані носії будуть рухатись
лише в результаті дифузії. При зворотному зміщен-
ні p–i–n-структури вся напруга буде падати на висо-
коомний і-шар, а носії заряду, які генеруватимуться
Представлено розрахунок і граничні вимоги для виробництва кремнієвих p–i–n-фотодіодів із підвищеною чут-
ливістю, проведено узгодження теоретичних параметрів із реальними фотодіодами, виготовленими згідно з
розрахунком. Описано особливості конструкції чотириелементного сегментного p–i–n-фотодіода з охоронним
кільцем та технології, які дозволили створити прилад з імпульсною монохроматичною чутливістю 0,48 А/Вт.
Ключові слова: фотодіод, кремній, імпульсна чутливість.
під дією сильного поля, будуть пролітати і-область,
не встигаючи рекомбінувати [1].
Провідні світові конструктори та технологи в сфе-
рі фотоелектроніки активно займаються розробкою
та створенням ФД із p–i–n-структурою з параметра-
ми, які забезпечуватимуть вимоги ринку. Зокрема, в
[2] досліджено можливості підвищення рівня чут-
ливості p–i–n-фотодіодів до випромінювання з до-
вжиною хвилі λ = 1,06 мкм. Авторами запропонова-
но використання двошарового просвітлюючого по-
криття, що складається з плівок SiO2 і Si3N4 товщи-
ною 40 та 88 нм відповідно, та отримано ФД з імпуль-
сною чутливістю Sімп = 0,44 А/Вт. Науковці зазнача-
ють, що отримані результати вказують на те, що пе-
рехід до двошарового просвітлюючого покриття при-
зводить до помітного підвищення рівня монохрома-
тичної імпульсної чутливості та до збільшення вихо-
ду придатних виробів.
В [3] розглянуто основну номенклатуру вимог,
що пред’являються до чотириканального фотоприй-
мального пристрою (ФПП) на основі квадрантно-
го кремнієвого p–i–n-фотодіода для координатних
си стем, приведено одну з можливих концепцій побу-
дови електронного тракту ФПП. Автори вказують, що
у ФПП необхідно використовувати p–i–n-фотодіоди
з мінімальними значеннями міжелементних зазорів
(для збільшення крутості пеленгаційної характери-
стики), струмів витоку та власної ємності. Виходячи
з цього, у ФПП був застосований кремнієвий p–i–n-
фотодіод з зазором між ФЧЕ 50 мкм, діаметром фото-
чутливої площадки 3,0 мм (з метою досягнення міні-
мальних значень струмів витоку та ємності), що має
струмову імпульсну чутливість Sімп ≥ 0,4 А /Вт при
значенні робочої напруги 200 В.
Для створення ФД із підвищеною імпульсною чут-
ливістю потрібно попередньо вирішити ряд техно-
логічних та конструкційних питань. Зокрема, попе-
DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.61
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–262 ISSN 2309-9992 (Online)
2
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
редньо розрахувати основні параметри, вибрати ма-
теріал підкладки та домішкові елементи, визначити,
яка конструкція максимально забезпечить всі техніч-
ні вимоги, адже чутливість ФД залежить як від фі-
зичних обмежень, пов’язаних із вибором матеріалу
підкладки, так і від його конструкції.
Метою цієї роботи було створення чотириеле-
ментного сегментного p–i–n-фотодіода на основі ви-
сокоомного кремнію р-типу з підвищеною імпульс-
ною чутливістю на довжині хвилі YAG-лазера, з ма-
лою ємністю та мінімальними темновими струмами.
Для виготовлення високочутливих фотоприймачів
необхідно встановити основні критерії вибору крем-
нію, зокрема, для оцінювання потенційних параме-
трів ФД при використанні матеріалу із різними ви-
хідними показниками питомого опору та часу життя
неосновних носіїв заряду, а також визначити опти-
мальну конструкцію кристалу приладу — глибину
залягання p–n-переходів, товщину шарів тощо, ба-
зуючись на сформованих критеріях та припущеннях.
Розрахункова частина
Для правильності вибору конструкції приладу та
вірності сформованих граничних критеріїв щодо ви-
бору кремнію та мінімізації похибки при розрахун-
ках основних параметрів необхідно оцінити можли-
ву чутливість ФД.
Оцінка струмової імпульсної чутливості проводи-
лася за формулою [4]
імп
λ 1 1 η,
1,234
S R T (1)
де R — коефіцієнт відбивання;
T — коефіцієнт пропускання;
η — квантова ефективність.
Для кремнію з просвітлюючим покриттям, виго-
товленим з ізотермічно вирощеного двоокису крем-
нію (SiO2), реально можна досягнути значення R
близько 0,1. Для цього потрібно забезпечити умову
мінімуму відбивання [5]:
λр/4 = ndSiO2
, (2)
де λр — робоча довжина хвилі;
nd — оптична товщина просвітлювальної плівки;
n — коефіцієнт заломлення (n = 1,42 для SiO2);
dSiO2
— товщина просвітлювальної плівки.
Звідси можемо знайти, що dSiO2
= 0,187 мкм, і при
виконанні цієї умови коефіцієнт відбивання R → 0.
Оптичні властивості кремнію є такими, що 90%
ІЧ-випромінювання з довжиною хвилі понад 1000
нм поглинається в ньому на глибині близько 1 мм [6.
Кремнієві p–i–n-фотодіоди мають металевий омічний
контакт з боку кристала, протилежного до ФЧЕ. Він
виконує роль дзеркала, яке відбиває значну частину
випромінювання робочої довжини хвилі, що не по-
глинається об’ємом кристала фотодіода та доходить
до контакту зі зворотного боку. З урахуванням цьо-
го чинника товщина кристала фотодіода вибираєть-
ся 400—500 мкм. Використання відбивання оптично-
го випромінювання тильним контактом дозволяє за-
безпечити подвійне проходження оптичного випро-
мінювання в об’ємі кристала фотодіода й збільшити
кількість фотогенерованих носіїв. За таких умов ви-
промінювання з λр =1060 нм повністю поглинається,
тому коефіцієнт пропускання Т ≈ 0.
Квантова ефективність для такої довжини хвилі,
згідно з [7], теоретично може досягати 60%. У [8] до-
сягнуто квантову ефективність близько 58%. Для на-
ших розрахунків приймемо η = 52%.
Підставивши ці дані в формулу (1), отримаємо зна-
чення імпульсної чутливості Sімп = 0,4 А/Вт.
На практиці, струмова монохроматична імпуль-
сна чутливість може бути дещо вище розрахованої
завдяки вдосконаленній технології, яка може забез-
печити більш високу величину квантового виходу та
менший за 0,1 коефіцієнт відбивання.
Для оцінки ємності p–n-переходу, отриманого ме-
тодом дифузійно-планарної технології, скористає-
мось формулою [9]
0 д
ФЧЕ
к р
εε
,
2 φ
qN
C A
U
(3)
де ε, ε0 — діелектричні сталі для кремнію та вакууму
відповідно;
q — заряд електрона;
φк — висота потенціального бар’єра, φк = 0,5 еВ;
Uр — напруга зміщення, Uр = –120 В;
Nд — концентрація домішки в підкладці;
АФЧЕ — ефективна площа ФЧЕ (однієї фоточутливої
площадки), АФЧЕ = 0,385 см2.
Формулу (3) можна спростити до вигляду (для не-
симетричних p–n-переходів)
ФЧЕ
к р
326 ,
ρ φ
AC
U
(4)
де ρ — питомий опір кремнію.
У цій формулі одиниці вимірювання АФЧЕ —
мм2, С — пФ.
У виробництві використовується кремній з різ-
ним питомим опором: 16, 18 та 20 кОм∙см. В ході екс-
периментів було виявлено, що внаслідок термічних
операцій питомий опір кремнію може зменшувати-
ся приблизно у два рази (в окремих випадках і біль-
ше). Тому для оцінювального розрахунку кінцевої
ємності p–n-переходу значення питомого опору слід
вважати вдвічі меншими за наведені у сертифікаті.
Розрахунок за формулою (4) ємності фотодіоду з
площею ФЧЕ 0,385 см2, створеного на основі крем-
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 63ISSN 2309-9992 (Online)
3
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
нію з ρ ≈ 20 кОм∙см, показує, що у такому випадку
ємність ФЧЕ складатиме 11,5 пФ, при ρ ≈ 18 кОм∙см
С = 12,1 пФ, при ρ ≈ 16 кОм∙см С = 12,8 пФ.
Для виробництва ФД з підвищеною імпульсною
чутливістю обрано кремній із ρ ≈ 18 кОм∙см, оскіль-
ки матеріал із вищим опором може викликати збіль-
шення зарядових станів, які впливають на величину
темнових струмів ФД, а при ρ ≤ 15 кОм∙см можемо
отримати ФД із великою ємністю.
Розглянемо теоретично можливе значення тем-
нового струму ФЧЕ при використанні кремнію з
ρ ≈ 18 кОм∙см.
Сумарний темновий струм складається із трьох
складових — дифузійної Iт диф, генераційно-реком-
бінаційної Iт ген-рек та поверхневої Iт пов [6]:
Iт =Iт диф + Iт ген-рек +Iт пов. (5)
Згідно з [7], густина дифузійної складової струму
Iт0 диф = 2∙10–9 А/см2, тоді при АФЧЕ = 0,385 см2
Iт диф = АФЧЕ Iт0 диф = 0,57∙10–9 А. (6)
Густина генераційно-рекомбінаційної складової
темнового струму складає Iт0 ген-рек = 0,6∙10–9 А/см2
[9], і тоді
Iт ген-рек = АФЧЕ Iт0 ген-рек = 0,231∙10–9 А. (7)
Поверхнева складова темнового струму згідно [8]
визначається як
Iт пов = σssNss Аp-n∙10–3, (8)
де σss — площа перерізу захоплення;
Nss — густина поверхневих станів;
Аp-n — площа p–n-переходу.
Площа, яка робить внесок в поверхневу складо-
ву темнового струму, визначається за формулою [10]
Аp-n =WiPp-n, (9)
де Wi — ширина області просторового заряду (ОПЗ);
Pp-n — периметр p–n-переходу.
Ширину ОПЗ можна розрахувати за формулою
[11]
роб
1 ρ 490 мкм.
3iW U (10)
В такому випадку периметр p–n-переходу
Pp-n = 2,5 см, і тоді знайдемо його площу за форму-
лою (9): Аp-n = 1,225∙10–3 см2.
Площа перерізу захоплення σss = 10–15 см2. Густи-
ну поверхневих станів, яка визначається техноло гією,
вибираємо рівною Nss =5∙1011 см–2∙еВ–1.
Підставиши вказані дані в формулу (8), отримає-
мо значення поверхневої складової темнового стру-
му ФД:
Iт пов = 61,3∙10–9 А.
Таким чином, сумарний темновий струм ФД буде
дорівнювати
Iт = 62,1∙10–9 А.
Звідси можна визначити значення статичного тем-
нового опору Rc при нульовому зміщенні (Uзм ≤ 10 мВ):
Rc = Uзм / Iт = 16,1 кОм. (11)
Аналогічно можна отримати значення темнового
струму Іок для охоронного кільця з ефективною пло-
щею Аок = 0,1385 см2 та периметром p–n-переходу
Pок p-n = 9,232 см:
Іок = 2,36∙10–6 А.
Отриманi значення темнових струмів характери-
зують квазіідеальний ФД. Звісно, що в розрахунках
нереально врахувати всі фактори впливу на цей па-
раметр. До таких факторів відносяться зарядові ста-
ни на поверхні кристалу, неконтрольовані домішки,
структурні дефекти, рівні Тамма та Шоклі, вплив пе-
риферії кристалу, зокрема дрейф носіїв заряду з пери-
ферії до ФЧЕ під дією електричних полів тощо [12].
Ці явища були враховані вже при створенні ФД, тому,
відповідно, допустимі значення темнового струму ре-
ального ФЧЕ є більшими, ніж отримані в розрахунку.
Експериментальна частина
Виготовлення ФД із підвищеною імпульсною чут-
ливістю здійснювалось за стандартною дифузійно-
планарною технологією [13]. Спочатку кремнієві
підкладки окислювалися, і у вікна двоокису крем-
нію, створені фотолітографією, проводилась дифузія
фосфору для створення n+-шару. Зі зворотної сторони
кремнієвої підкладки створювався омічний р+-шар та
напилювався шар золота з підшаром хрому методом
термічного розпорошення у вакуумі. Так само ство-
рювались контакти золота з підшаром хрому до ФЧЕ
та охоронного кільця.
Конструкцію описаного фотодіода зображено на
рис. 1.
Як йшлося вище, для виробництва ФД використо-
вувався кремній р-типу із питомим опором 18 кОм∙см.
Рис. 1. Переріз кристалу фотодіода:
1 — фоточутлива площадка; 2 — охоронне кільце; 3 —
i-область; 4 — область, гетерована бором; 5 — шар хрому;
6 — шар золота; 7 — шар SiO2
7 6 5
7
2
1
3
4
5
6
2
1
hν
n+ n+ n+ n+
p
p+
W
id
d C
r
d p-
p+
d p-
n+
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–264 ISSN 2309-9992 (Online)
4
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
Важливим параметром кремнію є час життя τ
неос новних носіїв заряду. В ході досліджень ви-
користовувався матеріал із τ = 1—1,8 мс. Було ви-
явлено, що при використанні кремнію із τ ≤ 1,4 мс
максимальна імпульсна чутливість серійних фото-
діодів за умов використання однієї технології сяга-
ла 0,36—0,38 А/Вт, що є замало для сучасних вимог.
Відповідно, умовою тривалості часу життя неоснов-
них носіїв заряду є τ ≥ 1,4 мс.
Товщину підкладки з кремнію можна оцінити на-
ступним чином:
d = Wi + dp-n++ dp-p+, (14)
де dp-n+, dp-p+ — глибина залягання, відповідно, p–n+-
та p–p+-переходів.
Згідно з [11], при виготовленні ФД прагнули роби-
ти ОПЗ максимальної ширини, а шари р+ та n+ — мі-
німальної (відповідно, поз. 4, 2 на. рис. 1), щоб вона
пов ністю поглинала все світло, що падає. Це необхідно
тому, що ефективною є взаємодія випромінювання тіль-
ки з i-шаром 3, оскільки в р+- та n+-областях воно зна-
чною мірою поглинається, а дифузійний струм, що ви-
никає, має велику інерційність і погіршує швидкодію.
З технологічних міркувань обрано dp-n+ = 7—9 мкм,
dp-p+ = 3—4 мкм. Таким чином, враховуючи, що
ширина ОПЗ Wi = 490 мкм, отримаємо кінцеву тов-
щину підкладки у межах d = 500—513 мкм.
Вище були вказані припущення та параметри
кристалу, направлені на отримання максимальної ім-
пульсної чутливості ФД, але, як відомо, збільшення
товщини бази фотодіода збільшує час пробігу носі-
їв заряду, зменшуючи швидкість його фотовідгуку.
Тому, оскільки p–i–n-фотодіоди належать до швид-
кодійних приладів фотоелектроніки, при їх виготов-
ленні намагаються обирати оптимальну товщину під-
кладки, яка б забезпечувала вимоги і до чутливості,
і до швидкодії.
Варто зазначити, що кремнієві пластини пе-
ред термічним окисленням обробляють методом
хімікодинамічного полірування (ХДП) в розчині
HNO3:HF:CH3COOH = 9:2:4, знімаючи шар кремнію
товщиною близько 40—50 мкм. Також, перед ство-
ренням омічного p–p+-переходу дифузією бора зі зво-
ротної сторони пластини стравлюють SiO2 в розчи-
ні HF:H2O = 1:10 та знову проводять ХДП, знімаючи
шар товщиною близько 20—25 мкм. Відповідно, по-
чаткова товщина підкладки має сягати 560—588 мкм
для забезпечення максимальної ширини ОПЗ, а від-
повідно, і чутливості.
Дифузію фосфору для створення ФЧЕ (поз. 1, 2
на рис. 1) проводили з твердотільних джерел, отри-
муючи поверхневий опір ρs = 2,7 — 2,5 Ом/□, який
вимірювали чотиризондовим методом. При ρs біль-
ше ніж 2,7 Ом/□ спостерігалось зростання Iт вище за-
даних значень. Поверхневий опір зі зворотної сторо-
ни підкладки після дифузії бору сягав 30—40 Ом/□.
Як відомо [12], підшар хрому 5, який напилюєть-
ся для покращення адгезії золота 6, при збільшенні
товщини може поглинати до 90% оптичного випро-
мінювання, що спричиняє значне погіршення чутли-
вості. Тому його товщину dCr намагались робити міні-
мальною, у діапазоні 0,10—0,15 мкм. При зменшенні
dCr, як показує досвід, погіршується адгезія золота.
Результати досліджень та їх обговорення
На основі оцінювальних розрахунків було виго-
товлено серію чотириелементних сегментних ФД з
площею ФЧЕ 0,385 см2 на основі високоомного крем-
нію р-типу, параметри яких наведено у табл. 1.
Всі вимірювання проводились згідно з ГОСТ
1772-88 [14].
Таблиця 1
Параметри виготовлених фотодіодів, отримані при
Uр = 120 В, λр = 1,06 мкм та тривалості імпульсу τі = 500 нс
Параметр Величина
Темновий струм ФЧЕ, Iт, мкА/см2 0,26—0,52
Темновий струм охоронного кільця, Iок,
мкА/см2 18,1—23,1
Струмова статична чутливість на моду-
льованому потоці, SІλ, А/Вт 0,49 — 0,5
Імпульсна монохроматична чутливість,
Sімп, А/Вт 0,44—0,48
Ємність ФЧЕ, CФЧЕ, пФ 12,0—13,3
Отримані результати повністю відповідають по-
передньо заданим параметрам ФД. Значення вказа-
них в таблиці параметрів добре верифікуються із те-
оретичними розрахунками. Підвищений рівень тем-
нових струмів відносно обчисленого свідчить про
неможливість врахування всіх факторів впливу на
зростання зворотних характеристик. Імпульсна мо-
нохроматична чутливість отриманих фотодіодів дещо
більше теоретичних значень, що свідчить про доско-
налість технології, доречність зроблених при розра-
хунках припущень, а також вказує на те, що сформу-
льовані критерії отримання фотодіодів з підвищеною
чутливістю забезпечують досягнення заданих пара-
метрів. Ці умови можна записати в вигляді системи
16 ≤ ρ ≤ 20 кОм·см — питомий опір кремнієвої
підкладки;
τ ≥ 1,4 мс — час життя неосновних носіїв заряду;
d = Wi +dp-n++ dp-p+ — товщина підкладки при
мінімальних dp-n+ та dp-p+;
30 ≥ ρs ≥ 40 Ом/□ — поверхневий опір після
дифузії бору;
dCr = 0,10—0,15 мкм — товщина підшару хрому;
2,7 ≥ ρs ≥ 2,5 Ом/□ — поверхневий опір після
дифузії фосфору.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 65ISSN 2309-9992 (Online)
5
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
На рис. 2 наведено усереднені графіки залежно сті
струмової імпульсної монохроматичної чутливості
фотодіода від робочої напруги за різної товщини під-
кладки, а відповідно, і ОПЗ (використано кремній з
однаковим питомим опором та застосовано однако-
ву технологію виробництва).
Як видно з рисунку, максимальну чутливість ма-
ють ФД із Wi = 490 мкм (крива 1). У міру зменшен-
ня ширини ОПЗ чутливість спадає, адже в ширшій
області просторового заряду при поглинанні оптич-
ного випромінювання генерується більша кількість
носіїв заряду. При розширенні ОПЗ на всю товщину
підкладки чутливість Sімп виходить в насичення, що
свідчить про настання збіднення і-шару на носії за-
ряду. При зменшенні Wi насичення наступає за ниж-
чих напруг зміщення, адже збіднення також настає
при нижчих напругах.
У табл. 2 для порівняння наведено параметри
створеного ФД та його аналогів — квадрантних ФД
відомих у світі виробників. Як видно, за величиною
питомого темнового струму створені ФД суттєво (на
порядок) поступаються лише фотодіодам S15137
(Hamamatsu photonic), а з YAG-444-4 (Excelitas
Technologies) та QP154-Q (First Sensor AG Corp.) зна-
ходяться на одному порядковому рівні. Статична чут-
ливість на модульованому потоці на довжині хвилі
1,06 мкм та імпульсна монохроматична чутливість
новостворених фотодіодів є найкращими серед ві-
домих аналогів. Ємність фоточутливих елементів
всіх порівнюваних фотодіодів знаходиться на одно-
му рівні, що свідчить про приблизно однаковий опір
вихідного кремнію, з якого створені усі ці фотодіоди.
При цьому, при меншому зміщенні на p–n-переході
запропонований ФД має кращу ємність, ніж аналоги.
Висновки
Таким чином, проведені дослідження дозволили
створити фотодіоди, які не поступаються світовим
аналогам, а за величиною статичної чутливості на мо-
дульованому потоці на довжині хвилі 1,06 мкм є кра-
щими серед відомих аналогів. Їхня імпульсна моно-
хроматична чутливість складає 0,48 А/Вт, що вище,
ніж чутливість серійних виробів відомих закордон-
них виробників. Досягнуті результати свідчать про
досконалість технології та доречність зроблених при
розрахунках припущень.
Відпрацьована технологія виробництва високо-
чутливих фотодіодів дозволила досягнути значен-
ня відсотку виходу придатних біля 70% для прила-
дів з імпульсною чутливістю Sімп ≥ 0,42 А/Вт, 30% із
Sімп ≥ 0,45А/Вт та 5% із Sімп ≥ 0,48 А/Вт. Варто зазна-
Рис. 2. Залежність струмової імпульсної монохроматичної
чутливості від робочої напруги фотодіода при різних тов-
щинах підкладки, або ширини ОПЗ Wi (у мкм):
1 — 490; 2 — 440; 3 — 390; 4 — 340
Sімп,
А/Вт
0,4
0,3
0,2
0,1
0 30 60 90 120 150 180 Uр, В
1
2
3
4
Таблиця 2
Результати порівняльних досліджень створеного ФД з аналогами
Параметр
Величина параметра ФД різних виробників
Створений
ФД*
ФД 344
(НВО
«Оріон»,
РФ) [15]
ФД-125К
(ЦКБ
«Ритм»,
Україна)
[16]
S15137
(Hamamatsu
photonic,
Японія) [17]
YAG-444-4
(Excelitas
Technologies
Corp.,
Taiwan) [18]
QP154-Q
(First Sensor
AG,
Німеччина)
[19]
Питомий темновий
струм ФЧЕ, Iт, нА/мм2 5,2 500 250 0,5 4 1
Статична чутливість на
модульованому, SІλ, А/Вт 0,5 0,3 0,2 0,44 0,44 —
Імпульсна монохрома-
тична чутливість, Sімп,
А/Вт
0,48 — — — — 0,45
Ємність ФЧЕ, CФЧЕ, пФ 12 40 120 10 12 20
Робоча напруга, В 120 120 135 100 180 150
*Параметри створеного ФД вимірювалися на довжині хвилі lр = 1,06 мкм при тривалості імпульсу τі = 500 нс.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–266 ISSN 2309-9992 (Online)
6
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
чити, що близько 95% виготовлених приладів цьо-
го типу мають імпульсну чутливість вище 0,4 А/Вт,
а основне відбракування відбувається за значення-
ми темнового струму або опору взаємозв’язку, але
не за чутливістю.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Сенько В. І., Панасенко М. В., Сенько Є. В. та ін. Електроніка
і мікросхемотехніка. Т. 4: Силова електроніка. Кн. 2. Київ,
Каравела, 2013. 316 с.
2. Будтолаев А. К., Либерова Г. В., Хижняк В. И. Повышение
чувствительности кремниевых p–i–n-фотодиодов к излучению с
длиной волны 1,06 мкм. Прикладная физика, 2018, №5, с. 47–49.
3. Боровков П. М., Казарин Л. Н., Потапов А. В., Фролов
Н. В. Четырехканальное ФПУ на основе квадрантного кремни-
евого фотодиода для координатных систем. Успехи прикладной
физики, 2013, т. 1, №5, с. 621–624.
4. Сизов, Ф. Ф. Фотоэлектроника для систем видения в
невидимых участках спектра. Киев, Академпериодика, 2008,
459 с.
5. Литвиненко В. Физика и технология полупроводниковых
диодов: монография для специалистов обл. технологии пр-ва и
эксплуатации полупроводник. приборов. Херсон, Вишемирський
В. С., 2018, 183 с.
6. Зи С. Физика полупроводников. Кн.1, Москва, Мир, 1984,
456 с.
7. Нойкин Ю. М., Махно П. В. Физические основы оптичес-
кой связи: электронное учебное пособие. Ростов-на-Дону, ЮФУ,
2011, 355 с.
8. Кукурудзяк М. С., Андрєєва О. П., Ліпка В. М. p–i–n-
фотодіод на основі високоомного кремнію p-типу з підвищеною
чутливістю на довжині хвилі 1060 нм. Технологія і конструю-
вання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6, с. 16–19. https://doi.
org/10.15222/TKEA2020.5-6.16
9. Якушенков Ю. Г. Основы теории расчета оптико-
электронных приборов. Москва, Советское радио, 1971, 336 с.
10. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда.
Москва, Мир, 1978, с. 148.
11. Брук В. А., Гаршенин В. В., Курносов А. И. Производство
полупроводниковых приборов, Москва, Высшая школа, 2006, 264 с.
12. Золочевский Ю.Б., Романов В.П., Соколов А.Ю.
Исследование нейтрализации заряда подвижных ионов в об-
ласти межфазовой границы диоксид кремния – кремний
структуры Mо – SіO2 – Sі. Международный журнал прикладных
и фундаментальных исследований. 2016, №6 (ч.4), с. 651–656.
13. Готра С. Ю. Технология электронной техники: учеб. по-
собие в 2 т. Изд-во Львовской политехники, 2010, т. 1, 884 с.
14. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения. Полупроводниковые
фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы из-
мерения фотоэлектрических параметров и определение харак-
теристик.
15. Бараночников М. Приемники и детекторы излучений.
Справочник. Москва, Издательство “ДМК Пресс”, 2012.
16. Паспортные данные на ФД-125К. http://ckb-rhythm.narod.
ru/tablpin.htm
17. Data Sheet S15137. https://www.hamamatsu.com/jp/en/
product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes/index.html
18. Data Sheet YAG-444-4. https://www.excelitas.com/product/
yag-444-4-series-quadrant-photodiodes-si-pin-113mm
19. Data Sheet QP154-Q. https://www.first-sensor.com/en/
products/optical-sensors/detectors/quadrant-pin-photodiodes-qp/
Дата надходження рукопису
до редакції 26.03 2021 р.
M. S. KUKURUDZIAK1, Yu. G. DOBROVOLSKY,2
Ukraine, Chernivtsi,
1Rhythm Optoelectronics Shareholding Company,
2Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University
E-mail: mykola.kukurudzyak@gmail.com
THIGH PULSE RESPONSIVITY SILICON p-i-n PHOTODIODE
P-n junction semiconductor photodetectors are widely used in various fields of science and technology, including automation
and telecontrol, instrumentation equipment, tracking systems, guidance, etc. The most demanded photoelectronic devices are
silicon p-i-n photodiodes (PD). Their main field of application are installations using laser beams of near IR optical radiation
spectrum, λ = 1060 nm, in particular.
The article provides considerations and limit requirements for production of high-responsivity silicon p-i-n photodiodes and
making theoretical parameters consistent with real photodiodes made according to the design. Characteristic properties of
technology, construction and final parameters of the manufactured four-element segment p–i–n photodiode with a guard ring
are described.
The authors describe the criteria for choosing the material for making high-responsivity photodiodes. Results of the theoretical
design for the capacitance of the photodiode based on the materials of different resistivity are presented. A theoretically
possible value for the dark current of the responsive elements and the guard ring is considered for the silicon of 18 kOhm·cm.
Criteria for the thickness of the PD crystal and the doped areas that provide for the maximum width of the space-charge region
are presented. The dependence of the current pulse monochromatic responsivity from the operating voltage of the photodiode
is shown for substrates with different thickness.
The photodiodes obtained during this study have the pulse monochromatic responsivity of 0.48 A/W, which is higher than
that of commercial products of well-known foreign manufacturers. The results achieved demonstrate that this technology is
effective and the assumptions made during the calculation stage are valid.
Keywords: photodiode, silicon, pulse responsivity.
DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.61
UDC 535.23:628.98:535.31:621.383.52:537.312.51:631.382
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 67ISSN 2309-9992 (Online)
7
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
REFERENCES
1. Sen’ko V. I., Panasenko M. V., Sen’ko E. V. et al. Electronics
and Microcircuitry. Vol. 4: Power Devices. Book 2. Kyiv, Karavela,
2013, 316 p. [Ukr]
2. Budtolaev A. K., Liberova G. V., Khizhniak V. I. Increase in
responsivity of silicon p-i-n photodiodes to the radiation of 1.06 μm
wavelength. Applied physics, 2018, no. 5, pp. 47–49. [Rus]
3. Borovkov P. M., Kazarin L. N., Potapov A. V., Frolov N. V.
A four-channel photodetector preamplifier module on the basis of a
quadrant silicon photodiode for coordinate systems. Uspekhi priklad-
noi fiziki, 2013, vol. 1, no. 5, pp. 621–624 [Rus]
4. Sizov F. F. Photoelectronics for vision systems in invisible
spectrum regions. Kyiv, Academperiodika, 2008, 459 p. [Rus]
5. Litvinenko V. M. Physics and technology of semiconductor
diodes: a monograph for specialists in the region. semiconductor
technology and operation. devices. Kherson, Vyshemymyrskyi V. S.,
2018, 183 p. [Ukr]
6. Zi S. [Semiconductor physics]. Moscow, Mir, 1984, 456 p. [Rus]
7. Noikin Yu. M., Mahno P. V. Physical basis of optical commu-
nication. Rostov-on Don, YuFU, 2011, 355 p. [Rus]
8. Kukurudziak M. S., Andreeva O. P., Lipka V. M. High-resistivity
p-type silicon-based p-i-n photodiode with high responsivity at the
wavelength of 1060 nm. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2020, no. 5–6, pp. 16–19. https://doi.org/10.15222/
TKEA2020.5-6.16
9. Yakushenkov Yu. G. Essentials of the theory for optoelectronic
devices design, Мoscow, Sovetskoe radio, 1971, 336 p. [Rus]
10. Sequin C. H., Tompsett M. F. Charge Transfer Devices.
Academic Press, N.Y., 1975, 148 р.
11. Bruk V. A., Garshenin V. V., Kurnosov A. I. Production of
semiconductor devices. Мoscow, Vysshaia shkola, 2006, 264 p. [Rus]
12. Zolochevskiy Yu.B., Romanov V.P., Sokolov A. Yu.
Investigation of mobile ions charge neutralization at silicon dioxide –
silicon – Mо – SіO2 – Sі interface. Mezdunarodnyi zhurnal prikladnyh
i fundamentalnyh issledovaniy, 2016, no. 6–4, pp. 651–656. [Rus]
13. Hotra Z.Yu. Tehnolohia elektronnoi tehniki. Lviv, Lviv
Polytechnic Publishing House, 2010, vol. 1, 884 p. [Ukr]
14. GOST 17772-88. [Photodetectors. Semiconductor photoelec-
tric and phodotetector preamplifier modules. Photoelectric parameters
measuring methods and characteristics determination]. [Rus]
15. Baranochnikov M. Priyemniki i detektory izlucheniy.
Spravochnik [Receivers and detectors of radiation. Directory].
Moscow, “DMK Press” Publishing House, 2012.
16. PD 125K certificate. Retrieved from:http://ckb-rhythm.narod.
ru/tablpin.htm
17. Data Sheet S15137. Retrieved from: https://www.hamamatsu.
com/jp/en/product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes/index.
html
18. Data Sheet YAG-444-4. Retrieved from: https://www.ex-
celitas.com/product/yag-444-4-series-quadrant-photodiodes-si-pin-
113mm
19. Data Sheet QP154-Q. Retrieved from: https://www.first-
sensor.com/en/products/optical-sensors/detectors/quadrant-pin-
photodiodes-qp/
Опис статті для цитування:
Кукурудзяк М. С., Добровольський Ю. Г. Кремнієвий p–i–n-
фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю. Техно логия
и конструи рование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2,
с. 61–67. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.1-2.61
Cite the article as:
Kukurudziak M. S., Dobrovolsky Yu.G. High pulse responsivity
silicon p–i–n photodiode. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2021, no. 1–2, pp. 61–67. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2021.1-2.61
Большакова Інеса Антонівна, докт. техн. наук, професор, Національний університет
«Львівська політехніка»
Бондаренко Олександр Федорович, канд. техн. наук, докторант НТУУ «Київський
політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ
Глушеченко Едуард Миколайович, канд. техн. наук, начальник відділку, НПП «Сатурн»,
м. Київ
Должиков Володимир Васильович, докт. фіз-мат. наук, зав. кафедрою, Харківський
національний університет радіоелектроніки
Дружинін Анатолій Олександрович, докт. техн. наук, професор, Національний
університет «Львівська політехніка»
Кондратенко Сергій Вікторович, докт. фіз-мат. наук, професор, Київський національний
університет імені Тараса Шевченка
Невлюдов Ігор Шакирович, докт. техн. наук, професор, зав. кафедрою, Харківський
національний університет радіоелектроніки
Сафронов Павло Сергієвич, канд. техн. наук, доцент, НТУУ «Київський політехнічний
інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ
РЕЦЕНЗЕНТИ НОМЕРА
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-88 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-21T01:01:18Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/5b/9da4526e06afceb993b733fede91a85b.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-882026-07-20T12:54:00Z Silicon p-i-n photodiode with increased pulse sensitivity Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю Kukurudziak, Mykola Dobrovolsky, Yuriy photodiode silicon pulse responsivity фотодіод кремній імпульсна чутливість P-n junction semiconductor photodetectors are widely used in various fields of science and technology, including automation and telecontrol, instrumentation equipment, tracking systems, guidance, etc. The most demanded photoelectronic devices are silicon p-i-n photodiodes (PD). Their main field of application are installations using laser beams of near IR optical radiation spectrum, λ = 1060 nm, in particular.The article provides considerations and limit requirements for production of high-responsivity silicon p-i-n photodiodes and making theoretical parameters consistent with real photodiodes made according to the design. Characteristic properties of technology, construction and final parameters of the manufactured four-element segment p–i–n photodiode with a guard ring are described.The authors describe the criteria for choosing the material for making high-responsivity photodiodes. Results of the theoretical design for the capacitance of the photodiode based on the materials of different resistivity are presented. A theoretically possible value for the dark current of the responsive elements and the guard ring is considered for the silicon of 18 kOhm·cm. Criteria for the thickness of the PD crystal and the doped areas that provide for the maximum width of the space-charge region are presented. The dependence of the current pulse monochromatic responsivity from the operating voltage of the photodiode is shown for substrates with different thickness.The photodiodes obtained during this study have the pulse monochromatic responsivity of 0.48 A/W, which is higher than that of commercial products of well-known foreign manufacturers. The results achieved demonstrate that this technology is effective and the assumptions made during the calculation stage are valid. Представлено розрахунок і граничні вимоги для виробництва кремнієвих p–i–n-фотодіодів із підвищеною чутливістю, проведено узгодження теоретичних параметрів із реальними фотодіодами, виготовленими згідно з розрахунком. Описано особливості конструкції чотириелементного сегментного p–i–n-фотодіода з охоронним кільцем та технології, які дозволили створити прилад з імпульсною монохроматичною чутливістю 0,48 А/Вт. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-03-23 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.61 10.15222/TKEA2021.1-2.61 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 61-67 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 61-67 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.61/81 Copyright (c) 2021 Mykola Kukurudziak, Yuriy Dobrovolsky http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | фотодіод кремній імпульсна чутливість Kukurudziak, Mykola Dobrovolsky, Yuriy Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title | Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title_alt | Silicon p-i-n photodiode with increased pulse sensitivity |
| title_full | Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title_fullStr | Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title_full_unstemmed | Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title_short | Кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| title_sort | кремнієвий p–i–n-фотодіод із підвищеною імпульсною чутливістю |
| topic | фотодіод кремній імпульсна чутливість |
| topic_facet | photodiode silicon pulse responsivity фотодіод кремній імпульсна чутливість |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.61 |
| work_keys_str_mv | AT kukurudziakmykola siliconpinphotodiodewithincreasedpulsesensitivity AT dobrovolskyyuriy siliconpinphotodiodewithincreasedpulsesensitivity AT kukurudziakmykola kremníêvijpinfotodíodízpídviŝenoûímpulʹsnoûčutlivístû AT dobrovolskyyuriy kremníêvijpinfotodíodízpídviŝenoûímpulʹsnoûčutlivístû |