radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-41-51radioelectronics-401Research ArticleКВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКАQUANTUM, SOLID-STATE, PLASMA AND VACUUM ELECTRONICSХарактеристики pin-структуры с дискретно металлизированной поверхностью i-областиThe Characteristics of the pin-Structure with a Discrete Metallic Surface i-RegionДаниленкоА. А.DanilenkoA. A.

Даниленко Александр Александрович – бакалавр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2018), студент 2-го курса магистратуры 

Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – моделирование устройств микроэлектроники в среде Synopsys Sentaurus TCAD. 

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

Alexander A. Danilenko, bachelor's degree in electronics and nanoelectronics (2018), the 2nd year master degree student

The author of one scientific publication. Area of expertise: modeling of microelectronics devices in the Synopsys Sentaurus TCAD environment. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

arguna96@yandex.ruИвановА. Д.IvanovA. D.

Иванов Алексей Дмитриевич – бакалавр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2018), студент 2-го курса магистратуры 

Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – моделирование устройств микроэлектроники в среде Synopsys Sentaurus TCAD.

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

Alexey D. Ivanov, bachelor's degree in electronics and nanoelectronics (2018), the 2nd year master degree student 

Author of one scientific publication. Area of expertise: modeling of microelectronics devices in the Synopsys Sentaurus TCAD environment. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

adivanov1@stud.eltech.ruИвановВ. Л.IvanovV. L.

Иванов Владимир Леонидович – кандидат технических наук (1988), старший научный сотрудник, (1991), доцент кафедра теплофизики и теоретических основ тепло-хладотехники

Автор более 50 научных работ. Сфера научных интересов – моделирование объектов и систем управления, энерго-ресурсосберегающие технологии. 

Кронверкский пр., д. 49, Санкт-Петербург, 197101

Vladimir L. Ivanov, Cand. Sci. (Eng.) (1988), Senior Researcher (1991), Associate Professor 

Author of more than 50 scientific publication. Area of expertise: modeling of objects and control systems, energy and resource-saving technologies. 

9 Lomonosova Str., St Petersburg 191002

v78432@mail.ruМарочкинВ. В.MarochkinV. V.

Марочкин Владислав Викторович – кандидат физико-математических наук (2016, Финляндия), менеджер проектов в компании 

Автор 10 научных публикаций. Сфера научных интересов – моделирование приборов твердотельной электроники.

10, Metallimiehenkuja, c/o Regus Kora, 02150, Espoo

Vladislav V. Marochkin, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2016), Project Manager 

Author of 10 scientific publications. Area of expertise: modeling of solid-state electronics devices.

10 Metallimiehenkuja, c/o Regus Kora, Espoo 02150

vladislav.marochkin@gmail.comМихайловН. И.IvanovichM. N.

Михайлов Николай Иванович – кандидат физико-математических наук (1982), доцент (1985) кафедры физической электроники и технологии 

Автор более 25 научных публикаций. Сфера научных интересов – математическое и компьютерное моделирование полупроводниковых приборов. 

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

Mikhailov N. Ivanovich – Cand. Sci. (Phys.-Math.) (1982), Associate Professor (1985) of the Department of Physical Electronics and Technology 

Author of more than 25 scientific publications. Area of expertise: mathematical and computer modeling of semiconductor devices. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

miknikiv51@gmail.comПерепеловскийВ. В.VsevolodovichP. V.

Перепеловский Вадим Всеволодович – кандидат физико-математических наук (1992), доцент (1995) кафедры физической электроники и технологии 

Автор более 30 научных публикаций. Сфера научных интересов – моделирование приборов твердотельной электроники. 

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

Perepelovsky V. Vsevolodovich – candidate of physical and mathematical Sciences (1992), associate Professor (1995) of the Department of Physical Electronics and Technology.

Author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: modeling of solid-state electronics devices. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

vvperepelovsky@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationНациональный исследовательский университет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationPixpolar OyФинляндияPixpolar OyFinland2020280220202314151Copyright © Даниленко А.А., Иванов А.Д., Иванов В.Л., Марочкин В.В., Михайлов Н.И., Перепеловский В.В., 20202020Даниленко А.А., Иванов А.Д., Иванов В.Л., Марочкин В.В., Михайлов Н.И., Перепеловский В.В.Danilenko A.A., Ivanov A.D., Ivanov V.L., Marochkin V.V., Ivanovich M.N., Vsevolodovich P.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/401Введение

Введение. В настоящее время интерес к совершенствованию pin-структур продолжает оставаться в центре внимания разработчиков электронных устройств. К устройствам, в которых используются такие структуры, можно отнести энергонезависимую память, устройство защиты от статического напряжения, pin-диоды с регулируемыми характеристиками и др. Однако вопросу управления характеристиками pin-структур посредством использования дискретной металлизации на поверхности i-области уделено недостаточное внимание.

Цель работы

Цель работы. Исследование влияния дискретной металлизации поверхности i-области на статические и динамические характеристики pin-структуры, компенсацию дефектов, управление эффективностью pinфотодетектора.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследуемая pin-структура состоит из p+-области, легированной бором; n+- области, легированной фосфором; i-области, легированной фосфором; полуизолирующей подложки; металлизации подложки; управляющего затвора из поликремния; слоя диэлектрика из оксида кремния. Двумерный численный анализ распределения потенциала, концентрации свободных носителей заряда и токов выполнялся в среде Synopsys Sentaurus TCAD.

Результаты

Результаты. Выполнен двумерный анализ дискретно металлизированных pin-структур. Определены напряжения, подаваемые на затворы i-области, компенсирующие влияние дефектов, образованных электронным облучением. Проведено моделирование четырех структур pin-фотодетектора, в которых управляющие затворы выполнены в виде структуры металл–диэлектрик–полупроводник. Показана возможность увеличения чувствительности pin-фотодетектора подачей соответствующих потенциалов на затворы.

Заключение

Заключение. Исследовано влияние дискретной металлизации i-области pin-структуры. Предложен метод коррекции характеристик облученного pin-диода до исходных характеристик. Тем самым появляется возможность использовать такие диоды в электронике с высокими требованиями к работе в зонах с повышенной радиацией. Предложена конструкция фотодетектора повышенной чувствительности с управляющими затворами на поверхности i-области и с разделением структуры низколегированной i-области на две области р- и n-типов проводимости.

Introduction

Introduction. Currently, an interest in improving pin-structures continues to be the focus of attention of developers of electronic devices. Devices that use controlled pin-structures include: non-volatile memory, static voltage protection device, pin-diodes with adjustable characteristics, etc. However, insufficient attention is paid to the issue of controlling the characteristics of pin-structures by using discrete metallization on the surface of i-region.

Aim

Aim. Investigation of the influence of discrete metallization of the surface of i-region on static and dynamic characteristics of pin-structure, defect compensation, and efficiency control of the pin-photodetector.

Materials and methods

Materials and methods. The pin-structure under study consisted of p + -boron-doped region; n + -phosphorusdoped region; i-phosphorus-doped region; semi-insulating substrate; metallization of the substrate; polysilicon control gate; and a silicon oxide dielectric layer. Two-dimensional numerical analysis of the potential distribution, of the concentration of free charge carriers and currents was performed in the Synopsys Sentaurus TCAD environment.

Results

Results. Two-dimensional analysis of discretely metallized pin-structures was performed. The stresses applied to the gates of i-region that compensated the influence of defects formed by electron irradiation were determined. Four pin-photodetector structures were modeled, in which the control gates were performed in the form of metal–dielectric–semiconductor structure. The possibility of increasing the sensitivity of the pinphotodetector by applying the corresponding potentials to the gates was demonstrated.

Conclusion

Conclusion. An effect of discrete metallization of i-region of the pin-structure was investigated. A method for correcting of the characteristics of the irradiated pin-diode to the initial characteristics was proposed. It makes possible to use such diodes in electronics with high requirements for operating in areas with high radiation. The design of a high-sensitivity photodetector with control gates on the surface of i-region and with the structure of low alloy i-region split into two regions (p- and n–type conductivity) was proposed.

pin-диод управляемыйpin-диод программируемыйМДП-затворы i-областиSynopsys Sentaurus TCADpin-controlled diodepin-programmable diodeMOS gates of the i-regionSynopsys Sentaurus TCADАвторы выражают благодарность И. А. Толкачеву за проведение расчетов в пакете моделирования TCAD Synopsys.The authors are grateful to I. A. Tolkachev for performing calculations in the TCAD Synopsys simulation package.ReferencesUS Pat. 2006/0091490 A1. Int. Cl. Y01L 31/105 (2006.01). Self-aligned Gated p-i-n diode for Ultra-east Switching / Hung-Wei Chen, Wen-Chin Lee, Chih-Hsin Ko, Min-Hwa Chi, Chung-Hu Ke // Pub. Date: May 4, 2006.Chen Hung-Wei, Lee Wen-Chin, Ko Chih-Hsin, Chi Min-Hwa, Ke Chung-Hu. US Pat. 2006/0091490 A1. Int. Cl. Y01L 31/105 (2006.01). Self-aligned Gated p-i-n diode for Ultra-east Switching. Pub. Date: May 4, 2006.URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/6d/ 6e/7c/8d3850eacfdc42/CN110504325A.pdf (дата обращения 25.02.2020).Available at: https://patentimages.storage. googleapis.com/6d/6e/7c/8d3850eacfdc42/CN11050432 5A.pdf (accessed 25.02.2020).US Pat. 8,466,505 B2. Int.Cl. H01L 29/788 (2006.01). Multi-level flash memory cell capable of fast programming / Li-Shyue Lai, Hung-Wei Chen, WenChin Lee, Min-Hwa Chi. Pub. Date: Jun. 18, 2013.Lai Li-Shyue, Chen Hung-Wei, Lee WenChin, Chi Min-Hwa. US Pat. 8,466,505 B2. Int.Cl. H01L 29/788 (2006.01). Multi-level flash memory cell capable of fast programming. Pub. Date: Jun. 18, 2013.US Pat. US 2019/0013316 A1. Int. Cl. H01L 27/102, H01L 29/51, H01L 29/739, H01L 23/538, H01L 27/11568, G11C 16/10, H01L 29/66, H01L 29/423, H01L 21/02, H01L 21/28, H01L 27/07 (2006.01). Gated Diode Memory Cells / Arup Bhattacharyya // Pub. Date: Jan. 10, 2019.Bhattacharyya A. US Pat. US 2019/0013316 A1. Int. Cl. H01L 27/102, H01L 29/51, H01L 29/739, H01L 23/538, H01L 27/11568, G11C 16/10, H01L 29/66, H01L 29/423, H01L 21/02, H01L 21/28, H01L 27/07 (2006.01). Gated Diode Memory Cells. Pub. Date: Jan. 10, 2019.US Pat. 10,276,576 B2. Int.Cl. H01L 27/102; G11C 16/10; H01L 29/51; H01L 27/07; H01L 21/28); H01L 21/02; H01L 29/423; H01L 29/66; H01L; H01L 23/538; H01L 29/739 (2006.01.01); 27/11568 (2017.01.01) / Gated Diode Memory Cells / Arup Bhattacharyya. Pub. Date: Apr. 30, 2019.Bhattacharyya A. US Pat. 10,276,576 B2. Int.Cl. H01L 27/102; G11C 16/10; H01L 29/51; H01L 27/07; H01L 21/28); H01L 21/02; H01L 29/423; H01L 29/66; H01L; H01L 23/538; H01L 29/739 (2006.01.01); 27/11568 (2017.01.01) / Gated Diode Memory Cells. Pub. Date: Apr. 30, 2019.US Pat. 10,340,370 B2. Int.Cl. H01L 29/739; H01L 29/08; H01L 27/02; H01L 29/66; H01L 29/78; H01L 29/49 (2006.01.01). Asymmetric Gated Fin Field Effect Transistor (FET) (finFET) diodes / Hao Wang, Haining Yang, Xiaonan Chen. Pub. Date: July 2, 2019.Wang Hao, Yang Haining, Chen Xiaonan. US Pat. 10,340,370 B2. Int.Cl. H01L 29/739; H01L 29/08; H01L 27/02; H01L 29/66; H01L 29/78; H01L 29/49 (2006.01.01). Asymmetric Gated Fin Field Effect Transistor (FET) (finFET) diodes. Pub. Date: July 2, 2019.Deep Level Analysis of Radiation-induced Defects in Si Crystals and Solar Cells / M. Yamaguchi, A. Khan, S. J. Taylor, K. Ando, T. Yamaguchi, S. Matsuda, T. Aburaya // J. of Applied Physics. 1999. Vol. 86, № 1. P. 217–223.Yamaguchi M., Khan A., Taylor S. J., Ando K., Yamaguchi T., Matsuda S., Aburaya T. Deep Level Analysis of Radiation-induced Defects in Si Crystals and Solar Cells. J. of Applied Physics. 1999, vol. 86, no. 1, pp. 217–223.Влияние облучения электронами с энергией 0.9 МэВ на вольт-амперные характеристики и низкочастотные шумы 4H-SiC pin-диодов / В. А. Добров, В. В. Козловский, А. В. Мещеряков, В. Г. Усыченко, А. С. Чернова, Е. И. Шабунина, Н. М. Шмидт // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53, вып. 4. С. 555–561.Dobrov V. A., Kozlovskii V. V., Meshcheryakov A. V., Usychenko V. G., Chernova A. S., Shabunina E. I., Shmidt N. M. Impact of the Electron Irradiation with the Energy of 0.9 MeV on Current-Voltage Characteristics and Low Frequency Noise in 4H-SiC pin-Diodes. Semiconductors/Physics of the Solid State. 2019, vol. 53, iss. 4, pp. 555–561. (In Russ.)Krishnan S., Sanjeev G., Pattabi M. Electron Irradiation Effects on the Schottky Diode Characteristics of p-Si // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2008. Vol. 266, № 4. P. 621–624. doi: 10.1016/j.nimb.2007.11.049Krishnan S., Sanjeev G., Pattabi M. Electron Irradiation Effects on the Schottky Diode Characteristics of p-Si. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2008, vol. 266, no. 4, pp. 621–624. doi: 10.1016/j.nimb.2007.11.049Козлов В. А., Козловский В. В. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и α-частицами // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35, вып. 7. С. 769–795.Kozlov V. A., Kozlovski V. V. The Semiconductor Doping with Radiation Induced Defects via Proton and αParticle Irradiation. Semiconductors/Physics of the Solid State. 2001, vol. 35, iss. 7, pp. 769–795. (In Russ.)Солдатенков Ф. Ю., Козлов В. А., Кудояров М. Ф. Применение протонного облучения для точной коррекции динамических характеристик сверхбыстродействующих высокочастотных силовых GaAs-A3B5 p-i-n диодов // Сб. стат. IV Всеросс. научн.-технич. конф. "Электроника и микроэлектроника СВЧ". СанктПетербург, 1–4 июня 2015 г. В 2 т. Т. 2. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2015. С. 74–78.Soldatenkov F. Yu., Kozlov V. A., Kudoyarov M. F. The Use of Proton Irradiation for Accurate Correction of the Dynamic Characteristics of Ultrafast High-Frequency Power GaAs-A3B5 p-i-n Diodes. Proc. of IV All-Russ. Scientific and Technical Conf. "Microwave Electronics and Microelectronics". SPb, 1–4 June 2015. Vol. 2. SPb, Izd-vo SPbGETU "LETI", 2015, pp. 74–78. (In Russ.)Axial Lifetime Control in Silicon Power Diodes by Irradiation with Protons, Alphas, Low- and High-energy Electrons / P. Hazdra, J. Vobecky, H. Dorschner, K. Brand // Microelectronics J. 2004. Vol. 35, № 3 P. 249–257. doi: 10.1016/S0026-2692(03)00194-0Hazdra P., Vobecky J., Dorschner H., Brand K. Axial Lifetime Control in Silicon Power Diodes by Irradiation with Protons, Alphas, Low- and High-energy Electrons. Microelectronics J. 2004, vol. 35, no. 3, pp. 249–257. doi: 10.1016/S0026-2692(03)00194-0Synergistic effects of NPN transistors caused by combined proton irradiations with different energies / X. Li, J. Yang, C. Liu, G. Bai, W. Luo, P. Lia // Microelectronics Reliability. 2018. Vol. 82. P. 130–135. doi: 10.1016/j.microrel.2018.01.010Li X., Yang J., Liu C., Bai G., Luo W., Lia P. Synergistic Effects of NPN Transistors Caused by Combined Proton Irradiations with Different Energies. Microelectronics Reliability. 2018, vol. 82, pp. 130–135. doi: 10.1016/j.microrel.2018.01.010Responsivity Improvement for Short Wavelenghts Using Full-Gated PIN Lateral SiGe Diode / C. Novo, R. Bühler, R. Zapata, R. Giacomini // 31st Symposium on Microelectronics Technology and Devices (SBMicro). Belo Horizonte, Brazil, 29 Aug.–3 Sept. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. doi: 10.1109/SBMicro.2016.7731366Novo C., Bühler R., Zapata R., Giacomini R. Responsivity Improvement for Short Wavelenghts Using Full-Gated PIN Lateral SiGe Diode. 31st Symposium on Microelectronics Technology and Devices (SBMicro). Belo Horizonte, Brazil, 29 Aug.–3 Sept. 2016. Piscataway, IEEE, 2016. doi: 10.1109/SBMicro.2016.7731366Study of Device Physics in Impact Ionisation MOSFET using Synopsys TCAD tools / A. S. Shruthi, A. M. Archna, M. Ponni, P. Vaya // Intern. Conf. on Advances in Electronics, Computers and Communications (ICAECC). Bangalore, India, 10–11 Oct. 2014. Piscataway: IEEE, 2014. doi: 10.1109/ICAECC.2014.7002450Shruthi A. S., Archna A. M., Ponni M., Vaya P. Study of Device Physics in Impact Ionisation MOSFET using Synopsys TCAD tools. Intern. Conf. on Advances in Electronics, Computers and Communications (ICAECC). Bangalore, India, 10–11 Oct. 2014. Piscataway, IEEE, 2014. doi: 10.1109/ICAECC.2014.7002450Калинина Е. В. Влияние облучения на свойства SiC и приборы на его основе // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41, № 7. С. 769–805.Kalinina E. V. Influence Irradiation on SiC Properties and Devices Based on It. Semiconductors/Physics of the Solid State. 2007, vol. 41, no. 7, pp. 769–805. (In Russ.)Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. 832 p.Sze S. M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. New Jersey, John Wiley & Sons, 2006, 832 p.Программирование двухбитного pin-диода в среде Synopsys Sentaurus TCAD / А. А. Даниленко, А. В. Стрыгин, Н. И. Михайлов, В. В. Перепеловский, Я. Н. Паничев, В. В. Марочкин, В. Л. Иванов // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2018. Т. 21, № 5 С. 51–59. doi: 10.32603/1993- 8985-2018-21-5-51-59Danilenko A. A., Strygin A. V., Mikhailov N. I., Perepelovsky V. V., Panichev Y. N., Marochkin V. V., Ivanov V. L. Programming 2-Bit pin Diode In Synopsys TCAD. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2018, vol. 21, № 5, pp. 51–59. doi: 10.32603/1993- 8985-2018-21-5-51-59

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