radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-5-80-92radioelectronics-378Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSКремниевая электронно-чувствительная pin-линейка, облучаемая с обратной стороныBack-Side Electron-Bombarded Silicon pin-StripАйнбундМ. Р.AinbundMikhail R.

Айнбунд Михаил Рувимович – кандидат технических наук (1974), начальник отдела АО «ЦНИИ "Электрон"». Автор более 100 научных работ. Сфера научных интересов – фотоэлектроника, физика твердого тела, гибридные фотоприемные устройства, твердотельные матричные фотоприемные устройства.

пр. Тореза, д. 68, лит. Р, Санкт-Петербург, 194223, Россия

Mikhail R. Ainbund, Cand. Sci. (Eng.) (1974), Head of Department JSC «NRI «Electron». The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: photoelectronics, solid state physics, hybrid photoelectric devices, solid state matrix photoelectric devices.

68 Toreza Ave., St Petersburg 194223, Russia

m.ainbund@mail.ruМироновД. Е.MironovDenis E.

mail: m.ainbund@mail.ru Миронов Денис Евгеньевич – инженер по специальности "Радиотехника" (1999), СанктПетербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, ведущий научный сотрудник АО «ЦНИИ "Электрон"». Автор 11 научных работ. Сфера научных интересов – фотоэлектроника, радиотехника, гибридные фотоприемные устройства, твердотельные матричные фотоприемные устройства.

пр. Тореза, д. 68, лит. Р, Санкт-Петербург, 194223, Россия

Denis Ye. Mironov, Engineer on Radio engineering (1999, St Petersburg State University of Telecommunications), Leading Researcher of JSC «NRI «Electron». The author of 11 scientific publications. Area of expertise: photoelectronics, radio engineering, hybrid photoelectric devices, solid state matrix photoelectric devices.

68 Toreza Ave., St Petersburg 194223, Russia

918@mail.ruПашукА. В.PashukAndrey V.

Пашук Андрей Владимирович – окончил Ленинградский государственный университет им. А. А. Жданова (1984), начальник лаборатории АО «ЦНИИ "Электрон"». Автор 28 научных работ. Сфера научных интересов – фотоэлектроника, гибридные фотоприемные устройства, инфракрасная техника, твердотельные матричные фотоприемные устройства.

пр. Тореза, д. 68, лит. Р, Санкт-Петербург, 194223, Россия

Andrey V. Pashuk, Head of Laboratory JSC «NRI «Electron». The author of 28 scientific publications. Area of expertise: photoelectronics, hybrid photoelectric devices, IR-technique, solid state matrix photoelectric devices.

68 Toreza Ave., St Petersburg 194223, Russia

perspectiva-good@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6830-6899ЗубковВ. И.ZubkovVasily I.

Зубков Василий Иванович – доктор физико-математических наук (2008), профессор (2018) кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 170 научных работ. Сфера научных интересов – физика твердого тела и физика полупроводников, наноэлектроника, моделирование и диагностика квантоворазмерных гетероструктур.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия 

Vasily I. Zubkov, Dr. Sci. (Phys.) (2008), Professor (2018) of Department of Micro- and Nanoelectronics Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of more than 170 scientific publications. Area of expertise: solid state physics and physics of semiconductors, nanoelectronics, simulation and diagnostics of quantum-sized structures.

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376, Russia

vzubkovspb@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6721-4159СоломоновА. В.SolomonovAlexander V.

Соломонов Александр Васильевич – доктор физико-математических наук (2000), профессор (2002), декан факультета электроники, профессор кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 140 научных работ. Сфера научных интересов – микроэлектроника и оптика полупроводников, наноэлектроника, квантово-размерные гетероструктуры.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия 

Alexander V. Solomonov, Dr. Sci. (Phys.) (2000), Professor (2002), Dean of Faculty of Electronics, Professor of Department of Micro- and Nanoelectronics Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of more than 140 scientific publications. Area of expertise: microelectronics and optics of semiconductors, nanoelectronics, quantum-sized heterostructures.

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376, Russia

alexander.v.solomonov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8065-6517ЗабродскийВ. В.ZabrodskiiVladimir V.

Забродский Владимир Викторович – инженер по специальности "Микроэлектроника" (2001), СанктПетербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН. Автор 32 научных работ. Сфера научных интересов – фотоэлектроника, кремниевые фотодиоды, технология полупроводниковых приборов.

Политехническая ул., д. 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия 

Vladimir V. Zabrodskii, Engineer on Microelectronics (2001), Saint Petersburg Electrotechnical University, Research Fellow of Ioffe Institute. The author of 32 scientific publications. Area of expertise: photoelectronics, silicon photodiodes, technology of semiconductor diodes.

26 Politekhnicheskaya Str., St Petersburg 194021, Russia

slidet@mail.ioffe.ruНиколаевА. В.NikolaevAndrey V.

Николаев Андрей Валерьевич – кандидат химических наук (2013), научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН. Автор 9 научных работ. Сфера научных интересов – фотоэлектроника, кремниевые фотодиоды, технология полупроводниковых приборов.

Политехническая ул., д. 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия

Andrey V. Nikolaev, Cand. Sci. (Chem.) (2013), Research Fellow of Ioffe Institute. The author of 9 scientific publications. Area of expertise: photoelectronics, silicon photodiodes, technology of semiconductor diodes.

26 Politekhnicheskaya Str., St Petersburg 194021, Russia

a.v.nikolaev@mail.ioffe.ruАО «ЦНИИ "Электрон"»РоссияJSC "NRI "Electron"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationФизико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наукРоссияIoffe InstituteRussian Federation2019041220192258092Copyright © Айнбунд М.Р., Миронов Д.Е., Пашук А.В., Зубков В.И., Соломонов А.В., Забродский В.В., Николаев А.В., 20192019Айнбунд М.Р., Миронов Д.Е., Пашук А.В., Зубков В.И., Соломонов А.В., Забродский В.В., Николаев А.В.Ainbund M.R., Mironov D.E., Pashuk A.V., Zubkov V.I., Solomonov A.V., Zabrodskii V.V., Nikolaev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/378Введение

Введение. В последние десятилетия в фотоэлектронике особое внимание уделяется разработке полупроводниковых матричных фотоприемных устройств, которые фактически стали эффективной альтернативой существующим аналоговым телевизионным приемным системам. Среди таких устройств линейные позиционно-чувствительные датчики применяются для регистрации быстрых изменений в окружающей обстановке и их последующей обработки (например, быстродействующие локаторы летательных аппаратов).

Цель работы

Цель работы. Создание линейки кремниевых pin-диодов для использования в составе гибридного детектора ИК-излучения с целью регистрации фотоэлектронов с временны́м разрешением лучше 10 нс. Моделирование основных электрофизических характеристик линейки.

Материалы и методы

Материалы и методы. В разрабатываемом приборе регистрация фотоэлектронов обеспечивается за счет наличия приповерхностного поля при использовании p ++–p-перехода, сформированного диффузией бора в кремний с удельным сопротивлением 3 кОм · см. Тянущее поле, в свою очередь, также формируется в области объемного заряда между p ++ - и n ++ -областями. Для создания n ++ -области проводилась диффузия фосфора. Численные расчеты распределения потенциала, концентрации свободных носителей заряда и токов проводились в программных пакетах одномерного (SimWin) и двумерного (TCAD Synopsys) моделирования.

Результаты

Результаты. Проведен двумерный расчет распределения концентрации свободных носителей заряда и потенциала в исследуемой pin-структуре. Определены минимальные напряжения, обеспечивающие полное обеднение i-слоя, в том числе для случая продольной канавки различной глубины. Линейка тестировалась в составе гибридного фотоэлектронного прибора облучением световыми импульсами от ИК-светодиода. При напряжении на диодах линейки –270 В достигнута длительность фронта сигнала на всех каналах 5...9 нс.

Заключение

Заключение. Для гибридного детектора ИК-излучения разработана линейка из 12 кремниевых pin-диодов, с размерами чувствительной области элемента 24 × 0.2 мм. По результатам исследований импульсной характеристики показано, что без операции утонения достигнута длительность фронта сигнала на всех каналах, удовлетворяющая требованиям к быстродействующему позиционно-чувствительному датчику ИК-излучения.

Introduction

Introduction. In recent decades, in the field of photoelectronics, special attention has been paid to the development of semiconductor matrix photodetectors. These detectors have become an effective alternative to existing television receiving systems. Among such devices, linear position-sensitive sensors are used in cases where the rapid registration of changes to the environment is required (for instance, high-speed locators for flying vehicles).

Aim

Aim. To develop a strip of silicon pin-diodes as part of a hybrid IR-detector for effective registration of photoelectrons with time resolution less than 10 ns, as well as to model the key electro-physical characteristics of the strip.

Materials and methods

Materials and methods. In the device under development, the registration of photoelectrons is achieved by the presence of a near-surface field using p ++–p junction formed by diffusion of boron into the silicon with resistivity of 3 kΩ · cm. The pulling field is also formed in the space charge region between p ++ - and n ++ -regions. Diffusion of phosphorus was carried out to create the n ++ -region. Numerical calculations of potential distribution, concentration of free charge carriers and currents were carried out using software for 1D- and 2D-modelling (SimWin and TCAD Synopsys).

Results

Results. 2D-calculation of charge carrier concentration and potential distribution was performed. The study determined the minimum bias for the complete depletion of the i-layer, including that for longitudinal grooves of various depths. The strip was tested as part of a hybrid photoelectric device by irradiating light pulses from IR LED. When the voltage on the diodes was reached –270 V, the duration of the signal front on all channels was 5…9 ns.

Conclusion

Conclusion. For use in IR-hybrid detectors, a strip of 12 silicon pin-diodes was developed with a sensitive element of 24 × 0.2 mm in dimension. The study of pulse characteristics showed that the necessary duration of the front signal on all channels was achieved without thinning thus satisfying the requirements for high-speed position-sensitive sensor of the infrared radiation.

гибридный фотоэлектронный приборкремниевая электронно-чувствительная линейка pin-диодовИК-фотоприемникhybrid photoelectric deviceSi pin-strip electron-bombarded charge-coupled deviceIR-photosensorReferencesSilicon infrared focal plane arrays / M. Kimata, H. Yagi, M. Ueno, J. Nakanishi, T. Ishikawa, Y. Nakaki, M. Kawai, K. Endo, Y. Kosasayama, Y. Ohota, T. Sugino, T. Sone / ed. by G. J. Brown, M. Razeghi // Photodetectors: Materials and Devices VI. Proc. of SPIE. 2001. Vol. 4288. P. 286–297. doi: 10.1117/12.429416Kimata M., Yagi H., Ueno M., Nakanishi J., Ishikawa T., Nakaki Y., Kawai M., Endo K., Kosasayama Y., Ohota Y., Sugino T., Sone T. Silicon Infrared Focal Plane Arrays. Photodetectors: Materials and Devices VI, ed. by G. J. Brown, M. Razeghi. Proc. of SPIE. 2001, vol. 4288, pp. 286–297. doi: 10.1117/12.429416Пономаренко В. П. Квантовая фотосенсорика. М.: АО "НПО Орион", 2018. 648 с.Ponomarenko V. P. Kvantovaya fotosensorika [Quantum Photosensory]. Moscow, JSC "NPO Orion", 2018, 648 p. (In Russ.)Rogalski A. Progress in focal plane array technologies (Review) // Progress in Quantum Electronics. 2012. Vol. 36, iss. 2–3. P. 342–473. doi: 10.1016/j.pquantelec.2012.07.001Rogalski A. Progress in Focal Plane Array Technologies (Review). Progress in Quantum Electronics. 2012, vol. 36, iss. 2–3, pp. 342–473. doi: 10.1016/j.pquantelec.2012.07.001Burke B., Jorden P., Vu P. CCD technology // Experimental Astronomy.2005. Vol. 19, iss. 1–3. P. 69–102. doi: 10.1007/s10686-005-9011-4Burke B., Jorden P., Vu P. CCD technology. Experimental Astronomy. 2005, vol. 19, iss. 1–3, pp. 69–102. doi: 10.1007/s10686-005-9011-4Гибридные высокочувствительные цифровые телевизионные приборы для УФ и ИК спектральных диапазонов/ М. Р. Айнбунд, А. В. Гарбуз, А. А. Дементьев, Е. Е. Левина, Д. Е. Миронов, А. В. Пашук, К. Я. Смирнов, О. В. Чернова // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 6. С. 514–517.Ainbund M. R., Garbuz A. V., Dement'ev A. A., Levina E. E., Mironov D. E., Pashuk A. V., Smirnov K. Ya., Chernova O. V. Hybrid High Sensitive Digital TV Devices for UV and IR Spectral Ranges. Advances in Applied Physics. 2018, vol. 6, no. 6, pp. 514–517. (In Russ.)Высокочувствительный гибридный фотоприемный модуль на основе фотокатодов с отрицательным электронным сродством и матриц ПЗС (КМОП) с электронной бомбардировкой тыльной стороны / Л. М. Балясный, А. Б. Балашов, Ю. Н. Гордиенко, Ю. К. Грузевич, Д. Е. Миронов, А. Э. Петров, С. С. Татаурщиков // Прикладная физика. 2018. № 4. С. 74–78.Balyasnyi L. M., Balashov A. B., Gordienko Yu. N., Gruzevich Yu. K., Mironov D. E., Petrov A. E., Tataurshchikov S. S. High-Sensitivity Hybrid Device Based on Photocathodes with Negative Electronic Affinity and CCD (CMOS) Matrixes with Electron Bombardment its Back Side. Applied Physics. 2018, no. 4, pp. 74–78. (In Russ.)Айнбунд М. Р., Миронов Д. Е., Зубков В. И. Гибридные фотоэлектронные приборы (Обзор) // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 5. С. 401–407.Ainbund M. R., Mironov D. E., Zubkov V. I. Hybrid Photoelectronic Devices (a review). Advances in Applied Physics. 2018, vol. 6, no. 5, pp. 401–407. (In Russ.)Бегучев В. П., Чапкевич А. Л., Филачев А. М. Электронно-оптические преобразователи. Состояние и тенденции развития // Прикладная физика. 1999. № 2. С. 132–140.Beguchev V. P., Chapkevich A. L., Filachev A. M. Image Intensifiers Todаy. State and Basic Development Tendencies. Applied Physics. 1999, no. 2, pp. 132–140. (In Russ.)Физические основы полупроводниковой фотоэлектроники / А. В. Войцеховский, И. И. Ижнин, В. П. Савчин, Н. М. Вакив. Томск: Издательский дом ТГУ, 2013. 560 c.Voitsekhovskii A. V., Izhnin I. I., Savchin V. P., Vakiv N. M. Fizicheskie osnovy poluprovodnikovoi fotoelektroniki [Physical Fundamentals of Semiconductor Photoelectronics]. Tomsk, Izd. dom TGU, 2013, 560 p. (In Russ.)Гибридный многоканальный фотоприемник для спектрального диапазона 1–1.6 мкм / М. Р. Айнбунд, Д. Л. Глебов, В. В. Забродский, Е. Е. Левина, Д. Е. Миронов, А. В. Николаев, А. В. Пашук, К. Я. Смирнов, В. М. Фролов // Прикладная физика. 2018. № 6. С. 54–59.Ainbund M. R., Glebov D. L., Zabrodskii V. V., Levina E. E., Mironov D. E., Nikolaev A. V., Pashuk A. V., Smirnov K. Ya., Frolov V. M. Hybrid Multi-Channel Photodetector for 1–1.6 µm Spectral Range Applied Physics. 2018, no. 6, pp. 54–59. (In Russ.)Hanoka J. I., Bell R. O. Electron-beam-induced currents in semiconductors // Ann. Rev. Mater. Sci. 1981. Vol. 11. P. 353–380. doi: 10.1146/annurev.ms.11.080181.002033Hanoka J. I., Bell R. O. Electron-Beam-Induced Currents in Semiconductors. Ann. Rev. Mater. Sci., 1981, vol. 11, pp. 353–380. doi: 10.1146/annurev.ms.11.080181.002033Беспалов В. И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 368 с.Bespalov V. I. Vzaimodeistvie ioniziruyushchikh izluchenii s veshchestvom [The Interaction of Ionizing Radiation with Matter]. Tomsk, Izd-vo TPU, 2007, 368 p. (In Russ.)Fundamental limits to detection of low-energy ions using silicon solid-state detectors / H. O. Funsten, S. M. Ritzau, R. W. Harper, R. Korde // App. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 18. P. 3552–3554. doi: 10.1063/1.1719272Funsten H. O., Ritzau S. M., Harper R. W., Korde R. Fundamental Limits to Detection of Low-Energy Ions Using Silicon Solid-State Detectors. App. Phys. Lett. 2004, vol. 84, no. 18, pp. 3552–3554. doi: 10.1063/1.1719272.Характеризация полупроводниковых детекторов монокинетических и отраженных электронов с энергией 1–30 кэВ / А. В. Гостев, С. А. Дицман, В. В. Забродский, Н. В. Забродская, Ф. А. Лукьянов, Э. И. Рау, Р. А. Сеннов, В. Л. Суханов // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2008. Т. 72, № 11. С. 1539–1544.Gostev A. V., Ditsman S. A., Zabrodskii V. V., Zabrodskaya N. V., Luk'yanov F. A., Rau E. I., Sennov R. A., Sukhanov V. L. Characterization of Semiconductor Detectors of Monokinetic and Reflected Electrons with an Energy of 1–30 keV. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2008, vol. 72, no. 11, pp. 1539–1544. (In Russ.)Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. 832 p. doi:10.1002/0470068329Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. New Jersey, John Wiley & Sons, 2006, 832 p. doi:10.1002/0470068329Зубков В. И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб., М.: ООО "Техномедиа" / Элмор, 2007. 220 с.Zubkov V. I. Diagnostika poluprovodnikovykh nanogeterostruktur metodami spektroskopii admittansa [Diagnostics of Semiconductor Nanoheterostructures by Admittance Spectroscopy]. Moscow, Elmor, 2007, 220 p. (In Russ.)Winston D. Physical simulation of optoelectronic semiconductor devices. Boulder: University of Colorado, 1996. 186 p.Winston D. Physical Simulation of Optoelectronic Semiconductor Devices. Boulder, University of Colorado, 1996. 186 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.