CS242139B1

CS242139B1 - Single photon silicon detector

Info

Publication number: CS242139B1
Application number: CS848435A
Authority: CS
Inventors: Petr Friedrich; Bruno Sopko
Original assignee: Petr Friedrich; Bruno Sopko
Priority date: 1984-11-06
Filing date: 1984-11-06
Publication date: 1986-04-17
Also published as: CS843584A1

Abstract

^Účelem řešení je vytvořit detektor, který je levnější než dosud užívané fotonásobiče, nevyžaduje složitou elektroniku a je minimálně tak rychlý jako fotonásobič. Tohoto cíle se dosáhne křemíkovým detektorem jednotlivých fotonů, sestávajícím z ochranného prstence typu vodivosti N, vytvořeného v křemíkovém substrátu typu vodivosti P a z mělké vrstvy typu vodivosti N4- soustředně umístěné vzhledem k ochrannému prstenci, kde na mělké vrstvě typu vodivosti N+ je vytvořena pasivační dvoj vrstva z kysličníku křemičitého a nitridu křemíku. Tyto detektory se dají využít pro speciální měření např. přesné vzdálenosti družic, místo některých použití fotonásobičů atd.^The purpose of the solution is to create a detector that is cheaper than the photomultiplier tubes used so far, does not require complex electronics and is at least as fast as the photomultiplier. This goal is achieved by a silicon single-photon detector consisting of a guard ring of N conductivity type, formed in a silicon substrate of P conductivity type and a shallow layer of N4- conductivity type concentrically positioned with respect to the guard ring, where a passivation double layer of silicon dioxide and silicon nitride is formed on the shallow layer of N+ conductivity type. These detectors can be used for special measurements, e.g. precise distances to satellites, instead of some uses of photomultipliers, etc.

Description

Vynález se týká křemíkových detektorů jednotlivých fotonů s velmi rychlým spínáním v oblasti desítek ps.The invention relates to silicon single photon detectors with very fast switching in the range of tens of ps.

Doposud se používaly speciální fotonásobiče, které jsou jednak cenové těžko dostupné, a jednak je pro jejich provoz nutná velmi složitá elektronika. Navíc mají tyto fotonásobiče poměrně nízkou životnost.Until now, special photomultipliers have been used, which are both inexpensive and, on the other hand, very complex electronics are required for their operation. Moreover, these photomultipliers have a relatively low lifetime.

Výše uvedené nedostatky odstraňují křemíkové detektory jednotlivých fotonů podle vynálezu. Podstatou tohoto detektoru sestávajícího z ochranného prstence .typu vodivosti N vytvořeného v křemíkovém substrátu typu vodivosti P a z mělké vrstvy typu N¹ soustředně umístěné vzhledem k ochrannému prstenci je, že na mělké vrstvě typu N⁺ je vytvořena pasivační dvojvrstva z kysličníku křemičitého a nitridu křemíků*.The above-mentioned drawbacks overcome the single photon silicon detectors of the invention. The essence of this detector consisting of a protective ring of conductivity type N formed in a silicon substrate of conductivity type P and a shallow layer of type N ¹ concentrically positioned with respect to the protective ring is that a shallow layer of type N ⁺ forms a passivating bilayer of silica and silicon nitride. .

Takto vytvořený detektor je zhruba třikrát rychlejší a podstatně levnější než speciální fptonásobič a má prakticky neomezenou životnost, charakteristickou pro polovodičové součástky. Vzhledem k velké rychlosti spínání a citlivosti lze dosáhnout lepších experimentálních výsledků než při použití fotonásobiče.This detector is approximately three times faster and substantially cheaper than a special multiplier and has a virtually unlimited lifespan characteristic of semiconductor devices. Due to the high switching speed and sensitivity, better experimental results can be obtained than when using a photomultiplier.

Příklad provedení křemíkového detektoru jednotlivých fotonů je schematicky uveden v náryse na obr. 1, kde je řez křemíkovým detektorem a na obr. 2, kde je půdorys detektoru.An exemplary embodiment of a single photon silicon detector is shown schematically in the front view of FIG. 1, which is a cross-section of the silicon detector, and FIG. 2, which is a plan view of the detector.

Na křemíkovém substrátu 1 s vodivostí typu Pas vrstvou 2 kysličníku křemičitého S1O2 je vytvořen ochranný prstenec 3 s vodivostí typu N a vysoce koncentrovaná mělká vrstva 4 s vodivostí typu N* · Tato mělká vrstva 4 je soustředně umístěna vzhledemOn the silicon substrate 1 with the conductivity of the pass type, the protective layer 3 with the conductivity of the type N and a highly concentrated shallow layer 4 with the conductivity type N * is formed by the silicon dioxide layer 2.

242 139 k ochrannému prstenci Na mělké vrstvě £ je vytvořena pasivační dvojvrstva % kysličníku křemičitého SiOg a nitridu křemíku SÍ3N4· Detektor je opatřen kovovým přívodem 6, který je v tomto případě z hliníku.242 139 to the protective ring A passivating bilayer% of SiO2 and Si3N4 is formed on the shallow layer 6. The detector is provided with a metal lead 6, which in this case is made of aluminum.

Detektor pracuje jako fotonásobič přes lavinový průraz diody, přičemž póměr vrstev kysličníku křemičitého SÍO2 a nitridu křemíku SÍ5N4 určuje spektrální citlivost. Zvětšení rychlosti spínání oproti fotonásobiči je ve fyzikálním principu lavinového průrazu.The detector works as a photomultiplier through avalanche breakdown of the diode, where the pore diameter of the SiO2 and Si5N4 silicon layers determines spectral sensitivity. Increasing the switching speed over the photomultiplier is in the physical principle of avalanche breakdown.

T přechodu ϊΓ* P, tedy v přechodu mezi vysoce koncentrovanou mělkou vrstvou £ a oblastí 1, tvořenou křemíkovým substrátem, se uskutečňuje lavinový průraz, který slouží k detekci a ochranný prstenec 2 s vodivostí N je nutný k omezení mikropiazmatických jevů.The T transition přechodu * P, that is to say the transition between the highly concentrated shallow layer 6 and the silicon substrate region 1, provides avalanche breakdown, which serves to detect and the protective ring 2 with conductivity N is necessary to reduce micropiazmatic phenomena.

Uvedené detektory jsou použitelné při speciálních měřeních, například při měření přesné vzdálenosti družic.These detectors are useful for special measurements, for example, for measuring the exact distance of satellites.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A silicon single photon detector consisting of a conductor of conductivity type N formed in a silicon substrate of conductivity type P and a shallow layer of conductivity type N * concentrically positioned relative to the protective ring, characterized in that a passivation is formed on the shallow layer (5) of conductivity type N *. bilayer (4) of silica and silicon nitride.