Проектирование и технология электронной компонентной базы : полупроводниковые приемники излучений

Москва 2018

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ  
 
Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ  
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 2550

УДК 62.38 
 
П79

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. А.С. Быков

А в т о р ы : 
С.А. Леготин, А.А. Краснов, Д.С. Ельников, В.Н. Мурашев,  
С.И. Диденко, К.И. Таперо, М.П. Коновалов

 
Проектирование и технология электронной компонентной
П79  
 базы : полупроводниковые приемники излучений : курс лекций / С.А. Леготин [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2018. – 188 с.
ISBN 978-5-906953-50-6

Методологически дисциплина построена на основе оптимального соотношения теоретических и прикладных вопросов проектирования полупроводниковых матричных приемников излучений. Теоретические основы изложены 
так, чтобы показать основные физические процессы, происходящие в элементах интегральной микросхемы матричного приемника излучений.
Прикладные вопросы ориентируют слушателей на решение типовых задач проектирования технологии, конструкции и схемотехники оптических матричных интегральных микросхем.
Этот курс дает недостающую информацию для инженеров и физиков, которые хотят больше узнать об интегрированных оптоэлектронных схемах, реализуемых по кремниевой технологии, и предназначен быть связующим звеном 
между микроэлектроникой и оптоэлектроникой.
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по укрупненной 
группе специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи» и специалистов, работающих на предприятиях в сфере оптоэлектроники.

УДК 621.38

 Коллектив авторов, 2018
ISBN 978-5-906953-50-6
 НИТУ «МИСиС», 2018

Оглавление

Введение ....................................................................................................7

1. Физические процессы в полупроводниковых матричных 
приемниках излучений .............................................................................8
1.1. Взаимодействие излучения с полупроводниковым  
материалом приемников излучений ....................................................... 8
1.1.1. Взаимодействие излучения оптического диапазона 
с полупроводниковым материалом .................................................... 8
1.1.2. Фоточувствительность ............................................................ 16
1.2. Взаимодействия ионизирующих излучений  
с полупроводниками .............................................................................. 20
1.2.1. Взаимодействие α-частиц с полупроводником .................... 22
1.2.2. Взаимодействие электронов и позитронов 
с полупроводником ............................................................................ 24
1.2.3. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучений 
с полупроводником ............................................................................ 28

2. Дискретные приемники излучений ...................................................33
2.1. Фоторезисторы ................................................................................ 33
2.2. Фотодиоды ....................................................................................... 35
2.2.1.  Фотодиоды с p-n-переходом .................................................. 35
2.2.1.1. Принцип работы и основные параметры ..................35
2.2.1.2. Технологические приемы создания фотодиодов  
с p-n-переходом .........................................................................40
2.2.2. Фотодиоды с барьером Шоттки ............................................. 42
2.2.3. МДП-фотодиоды ...................................................................... 44
2.2.4. PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды ............................... 44
2.3. Фототранзисторы ............................................................................ 45
2.3.1. Биполярные фототранзисторы ............................................... 45
2.3.1.1. Принцип работы и примеры реализации ..................45
2.3.1.2. Технологии изготовления биполярных  
транзисторов .............................................................................48
2.3.2. Полевые фототранзисторы ..................................................... 53
2.4. Двойные фотодиоды ....................................................................... 54

3. Многоэлементные приемники оптического излучения видимого 
диапазона: приборы с зарядовой связью ..............................................56
3.1. Принцип зарядовой связи .............................................................. 56

3.2. Входные и выходные устройства ПЗС.......................................... 60
3.3. Неэффективность переноса ........................................................... 65
3.4. Линейные ПЗС ................................................................................. 65
3.5. Матричный ПЗС с кадровым переносом ..................................... 66
3.6. Матричный ПЗС со строчным переносом ................................... 68
3.7. Матричный ПЗС со строчно-кадровым переносом .................... 70
3.8. Характеристики ПЗС-матриц ........................................................ 71
3.9. Технология создания ПЗС .............................................................. 74
3.9.1. Подготовка подложки .............................................................. 75
3.9.2. ЛОКОС ...................................................................................... 75
3.9.3. Создание подзатворного диэлектрика  
и скрытого канала .............................................................................. 76
3.9.4. Создание многоуровневой системы затворов ...................... 77
3.9.5. Создание фотодиодов в области накопления ....................... 78
3.9.7. Создание металлизации .......................................................... 79
3.9.8. Создание оптического экрана ................................................. 79
3.9.9. Технологический маршрут изготовления ............................. 79

4. Многоэлементные приемники оптического излучения  
видимого диапазона: КМОП-матрицы ..................................................82
4.1. Принцип работы КМОП-ФД СБИС .............................................. 82
4.2. Однокристальные цифровые КМОП-ФД камеры ....................... 85
4.3. КМОП-ФД СБИС для космической и военной аппаратуры ...... 87
4.4 КМОП-технология ........................................................................... 89
4.5. Базовая технология с одним карманом ......................................... 91
4.6. Двухкарманные технологии ........................................................... 91
4.6.1. Эффект тиристорного режима (Latch-uр эффект) ................ 93
4.6.2. Принцип действия тиристорной структуры ......................... 93
4.6.3. Подавление тиристорного эффекта ....................................... 94
4.7. Интеграция фотодиодов КМОП-процесс ..................................... 96
4.7.1. Интегрированные p-n-фотодиоды .......................................... 96
4.7.2. Интеграция PIN-фотодиодов .................................................. 97
4.7.2.1. Горизонтальные PIN-фотодиоды ................................97
4.7.2.2. Вертикальные PIN-фотодиоды ...................................97
4.8. Сравнительные характеристики ФПЗС  
и КМОП-ФД матриц ............................................................................ 102

5. Приемники излучения ИК-диапазона .............................................105
5.1. ИК-диапазоны ................................................................................ 105

5.2. Основные рабочие характеристики ИК-приемников ............... 106
5.3. Типы ИК-приемников ................................................................... 107
5.4. Конструкции и технологии ИК-приемников ............................. 108
5.4.1. Охлаждаемые и неохлаждаемые FPA-приемники ............. 108
5.4.2. Фотонные приемники ............................................................ 108
5.4.3. Тепловые ИК-приемники .......................................................111
5.4.3.1. Микроболометры ....................................................... 112
5.4.3.2. Пироэлектрические детекторы ................................. 114
5.4.3.3. Структуры «кремний на изоляторе» ........................ 115
5.4.3.4. Термопары и термопили ........................................... 116

6. Приемники излучения УФ-диапазона ............................................. 117
6.1. Спектр ультрафиолетового света .................................................117
6.2. Классификация ультрафиолетовых детекторов..........................118
6.3. Внешний фотоэффект и фотоэмиссия ........................................ 120
6.4. Материалы для УФД ..................................................................... 122
6.4.1. Нитриды металлов III группы .............................................. 122
6.4.2. InGaN и детекторы на его основе ........................................ 126
6.4.3. Детекторы на основе SiC ...................................................... 126
6.4.4. Фотодетекторы на основе алмаза ......................................... 127

7. Детекторы ионизирующих частиц ..................................................129
7.1. Выбор материала полупроводникового детектора .................... 130
7.2. Координатные детекторы ионизирующих частиц .................... 132
7.2.1. Твердотельные координатные детекторы  
ионизирующих частиц .................................................................... 132
7.2.1.1. Резистивный детектор ...............................................132
7.2.1.2. Стриповый (полосковый) детектор ..........................133
7.2.1.3. Дрейфовые детекторы ...............................................135
7.2.2. Пиксельные координатные детекторы ионизирующих 
частиц ................................................................................................ 137
7.2.2.1. Монолитный пиксельный детектор  
на DEPFET-структурах ...........................................................137
7.2.2.2. Детекторы на основе функциональноинтегрированных биполярных структурах ..........................139
7.2.2.3. Детекторы на основе функциональноинтегрированных МОП-структур .........................................140
7.3. Детекторы рентгеновского излучения ........................................ 141

7.3.1. Аналоговые детекторы с «непрямым» преобразованием 
излучений .......................................................................................... 143
7.3.1.1. Аналоговый пиксельный детектор  
на ПЗС-матрицах ....................................................................143
7.3.1.2. Аналоговый пиксельный детектор  
на аморфном кремнии ............................................................145
7.3.2. Квантово-цифровые детекторы «с прямым» 
преобразованием излучений ........................................................... 146
7.3.2.1. Монолитные пиксельные детекторы .......................147
7.3.2.1.1. Монолитный КМОП пиксельный  
детектор ..........................................................................147
7.3.2.1.2. Монолитный детектор  
с КНИ структурой .........................................................148
7.3.2.2. Гибридные пиксельные детекторы ..........................149

8. Радиоизотопные источники энергии  
на основе полупроводниковых материалов ........................................153
8.1. Термические преобразователи ..................................................... 156
8.2. Фотогальванические преобразователи ....................................... 158
8.3. Механические преобразователи .................................................. 162
8.4. Бетавольтаические преобразователи .......................................... 163
8.5. Конструкции бетавольтаических элементов .............................. 172
8.6. Формирование многослойных бетавольтаических 
преобразователей.................................................................................. 186

Библиографический список .................................................................187

ВВЕДЕНИЕ

Регистрация различного типа излучений от видимого света и до 
частиц высоких энергий является важнейшей частью широкого круга научных, технических и прикладных задач. Физика элементарных 
частиц и астрофизика, просвечивающая и отражательная электронная 
микроскопия, ядерная физика и техника, таможенный контроль, медицина и биология (X- и gamma-ray томография), лазерная физика и 
техника, техника оптической связи, – далеко не полный перечень приложений с использованием приемников − детекторов регистрации излучений. При этом важным обстоятельством является то, что данное 
направление далеко от «насыщения» и бурно развивается, особенно в 
направлении создания приемников радиационных излучений.
Поскольку матричные приемники излучений создаются на основе функциональной интеграции биполярной или КМОП-элементной 
базы интегральных микросхем и оптических полупроводниковых 
приборов, при проектировании необходимо учитывать специфику их 
совместной работы и технологии изготовления.
Основной особенностью курса является его междисциплинарный 
характер.
Методологически дисциплина строится на следующих составляю- 
щих: физика работы полупроводниковых приборов в условиях облучения фотонами и ионизирующей радиации, технология изготовления интегральных и гибридных микросхем.
Курс лекций в значительной степени построен на результатах патентных исследований и новых публикациях в специальной литературе. 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТРИЧНЫХ 
ПРИЕМНИКАХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Рассмотрим основные физические процессы, происходящие в полупроводниковых приборах, применяемых в матричных приемниках 
излучений.

1.1. Взаимодействие излучения 
с полупроводниковым материалом приемников 
излучений

Взаимодействие излучения оптического диапазона с относительно 
низкой энергией квантов (менее 10 эВ) и ионизирующих излучений 
с высокой энергией (более 1 кэВ) имеет специфические особенности, 
поэтому рассмотрим их отдельно.

1.1.1. Взаимодействие излучения оптического 
диапазона с полупроводниковым материалом

В полупроводниках, имеющих при комнатной температуре незначительную концентрацию свободных электронов, поглощение света 
определяется, в основном, связанными электронами (имеются в виду 
собственные полупроводники). Сильно поглощать излучение на частоте ω будут лишь те полупроводники, для которых энергия кванта 
ħω больше ширины запрещенной зоны Eg.

R
α, м–1

λ, мкм

Рис. 1.1. Зависимости R(ω) и α(ω) для кристаллического кремния

Зависимости оптических характеристик полупроводников от длины волны имеют сложный характер, что связано со сменой механиз

мов поглощения при изменении длины волны. На рис. 1.1 приведены экспериментальные спектры отражения R(λ) и поглощения α(λ) 
в кремнии. Как следует из рис. 1.1, в кристалле Si поглощение света 
с длиной волны λ > 1 мкм мало, хотя коэффициент отражения достаточно велик. При λ < 1 мкм поглощение в Si резко возрастает. 
Рассмотрим случай, когда ħω > Eg и обеспечиваются условия сильного поглощения.
У всех полупроводников (см. рис. 1.1) существует широкая спектральная область интенсивного поглощения, ограниченная со стороны длинных волн резким краем. Это обусловлено тем, что поглощение фотонов с достаточно большой энергией сопровождается 
переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Свет 
же с частотой ω < Eg∙ħ–1 проходит сквозь собственный (не содержащий примесей) полупроводник, не вызывая фотоионизации. Возрастание коэффициента поглощения для фотонов с энергиями ħω > Eg, 
позволяет оценить значение ширины запрещенной зоны. Неточность 
в значении Eg обычно не превышает 0,03 эВ для монокристаллических образцов. Данные об оптической ширине запрещенной зоны 
ряда полупроводников приведены в табл. 1.1.

Таблица. 1.1
Ширина запрещенной полосы некоторых полупроводников,  
определенная оптическим методом

Вещество
Eg при 300 К, 
эВ
Eg при 0 К, 
эВ
Вещество
Eg при 
300 К, эВ
Eg при 0 К, 
эВ
Si
1,09
1,14
GaP
2,24
2,4
Ge
0,66
0,75
GaAs
1,45
1,53
InP
1,25
1,34
GaSb
0,70
0,80
InAs
0,35
0,45
AlSb
1,60
1,70
InSb
0,175
0,25

Следует отметить, что ширина запрещенной зоны полупроводников зависит от температуры (рис. 1.2). Эту зависимость связывают, в 
первую очередь, с температурным изменением размеров элементарной ячейки кристалла. На основе представлений квантовой теории 
о возникновении зон разрешенной энергии из атомных уровней при 
сближении атомов удается качественно объяснить как сужение запрещенной зоны при возрастании температуры, характерное для большинства полупроводников, так и обратный эффект, имеющий место, 
например, в кристаллах типа PbS.

Рис. 1.2. Зависимость «оптической» ширины запрещенной полосы 
германия от температуры

Наличие полос поглощения (селективного поглощения) вблизи 
края основной полосы объясняют существованием экситонного механизма поглощения света. Экситон можно представить как возбужденное состояние, переходящее от одной ячейки кристалла к другой, или 
как систему, состоящую из электрона и положительно заряженной 
дырки, напоминающую атом водорода.
Представление о возбужденных состояниях электронной системы 
кристалла, не связанных с локализованными центрами, было выдвинуто Я.И. Френкелем, предложившим для обозначения таких состояний термин «экситон». Поглощение света в дополнительной полосе не сопровождается возникновением фотопроводимости. Из этих 
представлений следует, во-первых, что движение экситона в кристалле не создает электрического тока и, во-вторых, что для образования 
экситона необходима меньшая энергия, чем для генерации пары свободных носителей – электрона и дырки.
Экситон может окончить свое существование либо в результате 
теплового «довозбуждения», т.е. термической диссоциации, сопровождающейся возникновением электрона и дырки, либо отдавая свою 
энергию решетке. Возможно также исчезновение экситона с испусканием фотона. Этот процесс является своеобразным случаем излучательной рекомбинации неравновесных носителей.
Неселективное поглощение свободными электронами, отчетливо 
наблюдаемое в широкой длинноволновой области спектра (ħω > Eg),