Пути повышения эффективности чувствительной к электронам матрицы ППЗ

  • Докладчик: Егоренков А. А
  • Тема: Пути повышения эффективности чувствительной к электронам матрицы ППЗ.
  •  Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»

В АО «ЦНИИ «Электрон» ведется разработка гибридных приборов. Такие приборы включают в едином вакуумном объеме фотокатод и чувствительную к электронам ППЗ матрицу (ЭЧ ППЗ). Важнейшим достоинством гибридного прибора является возможность усиления сигнала в матрице вследствие процесса торможения в её объеме ускоренных фотоэлектронов. Благодаря этому гибридные приборы могут достичь значений чувствительности на несколько порядков выше твердотельных, также появляется возможность расширения динамического диапазона путем изменения ускоряющего напряжения между фотокатодом и матрицей. В рамках данной работы была поставлена цель по увеличению эффективности матрицы и снижению необходимого для работы прибора ускоряющего напряжения.

Современные ЭЧ ППЗ матрицы разных производителей отличаются эффективностью сбора ускоренных электронов и усилением. По данным статьи Intevac [1], их матрицы обладают усилением более 200 при энергии фотоэлектронов 2 кэВ. В исследовании Академии Наук Чешской Республики [2], сообщается об усилении в 180 раз при энергии 3.5 кВ и до 550 раз при 5 кВ.

Для расчета коэффициента усиления в ЭЧ ППЗ АО «ЦНИИ «Электрон» проводились измерения плотности фототока JФ и их светового сигнала UС. Коэффициент усиления вычислялся по формуле:

где K = 4 мкВ/электрон – коэффициент преобразования матрицы,
t = 40 мс – время накопления одного кадра,
Sпикс = 17 × 34 мкм – площадь пикселя,
e – заряд электрона.

Полученная зависимость коэффициента усиления матрицы представлена на рисунке 1(а).

Рисунок 1 – Коэффициент

(а)

(б)

Рисунок 1 – Коэффициент усиления (а) и эффективность сбора носителей заряда (б) ЭЧ ППЗ от энергии фотоэлектронов

Сравнительно невысокие значения усиления можно объяснить низкой эффективностью сбора носителей заряда данным ЭЧ ППЗ. В общем случае рассчитать эффективность сбора носителей заряда (С) можно следующим образом:

где Eh-e = 3.6 эВ – энергия образования электронно-дырочной пары в кремнии,

U – ускоряющее напряжение вакуумного промежутка.

На рисунке 1(б) показана эффективность сбора носителей заряда в зависимости от энергии фотоэлектронов. Полученные результаты показывают малую эффективность применяемой нами матрицы. Это, скорее всего, связано с обработкой поверхности обратной стороны матрицы.

В отличие от видимого излучения, проникающего в кремний относительно глубоко, генерация заряда от ускоренных фотоэлектронов происходит вблизи облучаемой поверхности. В связи с этим поверхностная рекомбинация носителей заряда, а также поле, вносимое естественным окислом [3], вносят существенный вклад в эффективность сбора сигнала фотоэлектронов.

Для матриц, используемых в наших приборах, проводилась операция имплантации ионов бора с энергиями 13 кэВ для создания примесного профиля. Такой профиль вносит дополнительное поле, которое выступает в роли потенциального барьера, препятствующего движению электронов обратно к поверхности, повышая, тем самым, эффективность сбора носителей заряда. Распределение концентрационного профиля и вносимого им поля представлено на рисунке 2(а).

Используя зависимости потери энергии фотоэлектронов в кремнии по глубине (dE(x)/dx) [1] можно численно рассчитать процент собранных матрицей носителей при энергии фотоэлектронов 4 кэВ. Для этого рассчитаем потери энергии при движении фотоэлектрона от поверхности до х:

Таким образом, процент собранных носителей (C) от глубины можно рассчитать как:

Процент собранных носителей (C)

В зависимости от выбора аппроксимирующей зависимости dE(x)/dx для 4 кэВ функции значение C = 1.8%, совпадающее с измеренным, достигалось на отрезке , в пределах которого находится максимум поля. Исходя из этого, можно предположить, что ЭЧ матрицей регистрируется та часть носителей, которая сгенерировалась после точки с максимальным значением поля, вносимого профилем имплантированной примеси. В то же время доля электронов, сгенерированных ближе к поверхности остается внутри потенциальной ямы. Назовем эту область мертвым слоем.

При подстановке формулы (2) в (1) можно получить выражения для расчета коэффициента усиления:

Расчет усилиения

На рисунке 2(б) приведен расчетный коэффициент усиления при энергии фотоэлектронов 4 кэВ в зависимости от толщины мертвого слоя. Из рисунка видно, что величина мертвого слоя не должна превышать 175 нм.

Рисунок 2(а) – Расчетный концентрационный профиль примеси вблизи обратной поверхности и вносимое им поле

Рисунок 2(б) – Расчетный коэффициент усиления при энергии фотоэлектронов 4 кэВ в зависимости от толщины мертвого слоя

Для повышения эффективности сбора носителей заряда можно рекомендовать:
  • снизить энергию легирования;
  • перейти на высокоомный кремний или градиентное легирование в эпитаксиальном слое ППЗ матрицы;
  • проводить дополнительную химическую обработку поверхности.

Первый пункт может включать в себя как прямое снижение энергий ионов при операции ионного легирования, так и непрямое. Сейчас установка, на которой производится операция ионного легирования в АО «ЦНИИ «Электрон», ограничена минимальной энергией 13 кэВ, но в литературе встречаются упоминания об энергиях имплантации до 0.2 кэВ [4]. При имплантации бора с энергией 1 кэВ расчетная толщина мертвого слоя составляет всего  20 нм. Тогда эффективность сбора носителей заряда при энергии фотоэлектронов 4 кэВ составит более 80%. К непрямым методам снижения энергии имплантации можно отнести замену источника бора на ион BF2+, при котором энергия, приходящаяся на бор, будет составлять порядка 3 кэВ при 13 кэВ на весь ион. При этом толщина мертвого слоя будет составлять около 40 нм, а эффективность сбора носителей при той же  энергии электронов будет более 60%. Также можно производить легирование через дополнительно выращенный слой (например, Si или SiO2), тем самым часть профиля примеси будет внутри этого слоя, который затем можно удалить селективным травителем. При легировании (13 кэВ, B+) чувствительной области ЭЧ матрицы через слой Si (70 нм) – SiO2 (2 нм) глубина мертвого слоя составит 40 нм.

Для большей наглядности были проведены эксперименты с созданием на одной матрице двух площадей с разными энергиями ионной имплантации – 25 и 13 кэВ, и изготовлен экспериментальный гибридный прибор с этой матрицей.  Отношение коэффициентов усиления области легирования с 13 кэВ к области с 25 кэВ при разных энергиях фотоэлектронов представлено на рисунке 3(а). Область, легированная с энергией 13 кэВ, показывает больший коэффициент усиления и, соответственно, большую эффективность сбора носителей заряда. Из рисунка видно, что легирование с низкой энергией имплантации существенно увеличивает эффективность сбора электронов при небольших ускоряющих напряжениях.

При текущих параметрах эпитаксиального слоя кремния (NA = 5×1015 см-3) наши матрицы также имеют довольно глубокую нейтральную область между областью пространственного заряда (ОПЗ) под управляющими электродами и поверхностью. Расчет показал, что она составляет порядка 17 мкм при общей толщине 18 мкм. Использование высокоомного кремния при правильном выборе параметров материала позволило бы увеличить глубину ОПЗ, за счет чего снизилась бы толщина нейтральной области. Это привело бы к большей эффективности сбора носителей заряда, а также, возможно, повысило разрешающую способность матрицы. Градиентное легирование приведет к аналогичному эффекту, но без увеличения ОПЗ. Однако, для применения этих двух методов необходимо изменить технологию производства матриц, что требует значительного времени и затрат.

Были также проведены эксперименты с химической обработкой поверхности после операции ионного легирования. Результаты отношения величин усиления при различных энергиях фотоэлектронов представлены на рисунке 3(б). Очевидно наличие положительного эффекта такой обработки, которая к тому же более выражена в областях малых ускоряющих энергий.

малых ускоряющих энергий.

Рисунок 3(а) — Отношение коэффициента усиления области с 13 кэВ к области с 25 кэВ легирования

Рисунок 3(б) – Изменение усиления матриц после химической обработки

Как показал анализ, применение вышеперечисленных методов должно привести к сильному росту коэффициента усиления ЭЧ матриц. Исходя из данных, полученных в ходе экспериментов, наибольший эффект предположительно будет достигнут при низких ускоряющих напряжениях при значениях ≤ 2 кВ с достижением коэффициентов усиления больше, чем достигается в настоящее время при напряжениях  ≥3 кВ.

Литература

  1. Williams G.M., Rheinheimer A.L., Aebi V. [et al.] // Electron-bombarded back-illuminated CCD sensors for low-light-level imaging applications / Proc. of SPIE. – 1995.
  2. Horacek M. Charge-coupled device area detector for low energy electrons // Review of Scientific Instruments. ­– 2003. –Vol. 74. – N 7.
  3. Morley M. Blouke, Alan W. Delamere, and Garry Womack Simplified model of the back surface of a charge-coupled device // Proc. SPIE 1447, Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors II. – 1991.
  4. Moffett Life below 1 keV [ion implantation] // Proc. of 11th International Conference on Ion Implantation Technology, Austin, TX, USA. – 1996. – Pp. 5-8.

Айнбунд Михаил Рувимович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

 1) Есть ли у вас соображения, за счет чего матрицы Intevac обладают усилением более 200 при энергии фотоэлектронов 2 кэВ? Что (по вашему мнению) надо сделать, чтобы обеспечить такой результат?

2) Какие направления повышения чувствительности матрицы к электронам реальны в наших условиях в ближайшее время и что это может дать? А что всё-таки надо бы сделать?

 3) Поясните, что представляют собою эксперименты с химической обработкой поверхности после операции ионного легирования?

Егоренков А.А.

Ответ:

1) Точных данных о технологии ППЗ Intevac я не видел. Наиболее вероятно, что достичь подобного результата позволит низкоэнергетичное ионное легирование (менее 1 кэВ), а также внедрение приповерхностного дельта-слоя бора.

2) В наших условиях в ближайшее время реально провести ионную имплантацию с источником BF2+, а также провести химическую обработку поверхности после имплантации. При их применении повысится эффективность сбора носителей матрицей и ее усиление, но это вряд ли даст результаты как у Intevac. Как я уже отметил в пункте 1, стоит внедрять дельта-слой бора на поверхности, либо осуществлять имплантацию с низкой энергией. К тому же при применении источника BF2+ необходимо будет исследовать его возможные отличия в свойствах кремния в сравнении с чистым бором.

3) Исследование пока находится на начальном этапе, поэтому сообщать подробности рано.

Зубков Василий Иванович

 СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вопрос:

В процессе изготовления ЭЧППЗ матрицы она утоняется со стороны подложки путем химического травления с ~350 мкм до ~20 мкм. Качество получаемой поверхности будет характеризоваться шероховатостью на уровне не менее 0.5 мкм. Возможно ли в этих условиях стремиться к толщине мертвого слоя 20 нм и менее?

Егоренков А.А.

Ответ:

Я считаю, что можно, так как отсчет этой глубины ведется от поверхности, каким бы ни был рельеф.

На нашем сайте мы используем Сookies, которые помогают нам оптимизировать ваш пользовательский опыт. Продолжая работу на сайте, вы соглашаетесь с обработкой нами полученных данных. Подробнее… 

/** */