基于雙離子注入法的新型PSD結(jié)構(gòu)

李　倩， 李田澤, 陳祥鵬

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

基于雙離子注入法的新型PSD結(jié)構(gòu)

李倩， 李田澤, 陳祥鵬

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

摘要：在分析半導(dǎo)體光電位置敏感探測(cè)器(PSD)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用雙離子注入方法，研究一種新型的PSD結(jié)構(gòu).這種新型結(jié)構(gòu)通過(guò)在N型硅襯底分別注入一種高劑量、低能量的硼離子和另一種高能量的硼離子形成，離子注入后在1 050℃擴(kuò)散爐中氧氣保護(hù)退火2h，形成淺和低摻雜的PN結(jié).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型PSD結(jié)構(gòu)可獲得較高的位置分辨率、較小的響應(yīng)時(shí)間誤差及非線性.

關(guān)鍵詞：新型PSD結(jié)構(gòu)； 雙離子注入； 退火

光電位置敏感探測(cè)器(PSD)是一種基于橫向光電效應(yīng)、用于對(duì)入射光斑位置的連續(xù)變化進(jìn)行測(cè)量的探測(cè)器，具有較高的靈敏度和寬的光譜響應(yīng)范圍，瞬態(tài)響應(yīng)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊，PSD在精密尺寸測(cè)量、對(duì)接、震動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)角測(cè)量甚至三維形貌測(cè)量、機(jī)器人傳感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-3].雖然PSD的橫向光電效應(yīng)從發(fā)現(xiàn)至今已有八十多年的歷史，PSD的商用開(kāi)發(fā)及應(yīng)用也已經(jīng)歷了近四十年，已形成部分系列產(chǎn)品，但PSD仍存在位置分辨率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差、非線性較大以及新型結(jié)構(gòu)探索等許多尚未解決的問(wèn)題[4].本文采用雙離子注入法，研究新型位置敏感探測(cè)器(PSD)結(jié)構(gòu).

1PSD工作原理

當(dāng)入射光點(diǎn)落在PSD感光面的不同位置時(shí)，將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光點(diǎn)在器件感光面上的位置.PSD可以分為一維PSD和二維PSD，一維PSD是在線型的PSD兩端位置引出兩個(gè)電極；二維PSD是在光敏面的兩邊對(duì)邊上的幾何中心點(diǎn)位置引出四個(gè)收集光電流的電極[5].

一維PSD電流與光點(diǎn)位置方程為

(1)

(2)

二維PSD電流與光電位置方程為

(3)

(4)

2 新型PSD結(jié)構(gòu)研究

2.1PSD的基本結(jié)構(gòu)

PSD的基本結(jié)構(gòu)是由一輕摻雜的N型半導(dǎo)體和一重?fù)诫s的P+型半導(dǎo)體構(gòu)成的P+N結(jié)，當(dāng)內(nèi)部載流子擴(kuò)散和漂移達(dá)到平衡時(shí)，就建立了一個(gè)方向由N區(qū)指向P區(qū)的結(jié)電場(chǎng).

2.2PSD的新型結(jié)構(gòu)

如圖1所示，PSD的新型結(jié)構(gòu)采用雙離子注入法，通過(guò)在N型硅襯底分別注入一種高劑量、低能量的硼離子和另一種高能量的硼離子，離子注入后在1 050℃擴(kuò)散爐中氧氣保護(hù)退火2h，形成淺和低摻雜的PN結(jié).

圖1 注入雙硼離子的新型PSD結(jié)構(gòu)

2.2.1 離子注入法

離子注入法是在真空中、低溫下把雜質(zhì)離子加速(加速電壓≥105V)，使雜質(zhì)離子獲得很大的動(dòng)能而直接進(jìn)入晶體中的方法[6-7].晶體在注入離子后必將同時(shí)在其中產(chǎn)生一些晶格缺陷，因此離子注入后需要通過(guò)退火來(lái)消除這些缺陷，一般是采用低溫退火的方法.

2.2.2 工藝流程

為了使PSD獲得高的響應(yīng)度和良好的均勻性，選用N型硅單晶，晶向<100>，電阻率8~10Ω·cm，硅片尺寸20mm×30mm，厚度0.5mm.主要的工藝步驟是：襯底制備、氧化、光刻出窗口(在光刻工藝中，用磷離子的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置活動(dòng)區(qū)域電解質(zhì)濃度的降低，達(dá)到150nm厚度時(shí)蝕刻氧化制備反涂層，金屬沉積)、從窗口中注入硼離子.第一種硼離子具有相對(duì)高劑量(1×1015cm-2)和低能量(30keV)，注入的硼離子形成了接觸面的P+區(qū)域并且低能量不會(huì)讓摻雜劑穿過(guò)氧化物到該設(shè)備活躍的區(qū)域；第二種注入的硼離子具有高能量(150keV)，用于控制P側(cè)活躍接觸區(qū)域的電阻率.兩種硼離子注入后,在1 050℃擴(kuò)散爐中氧氣保護(hù)退火2h.圖2為兩種硼離子注入后的濃度與結(jié)深的曲線關(guān)系.

圖2 硼離子注入后的濃度和結(jié)深曲線

3實(shí)驗(yàn)與分析

PSD的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分別通過(guò)恒定光點(diǎn)和脈沖激光進(jìn)行測(cè)量.PSD的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)傳感器的輸出與輸入的關(guān)系,衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和溫度漂移等；PSD的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓侩S時(shí)間變化時(shí)輸出量的響應(yīng)特性，反映輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化的輸入量的能力.

3.1 靜態(tài)特性

如圖3所示是PSD在有緣區(qū)域分別為4mm、5mm、6mm、7mm下測(cè)試的位置分辨率，該測(cè)量裝置采用一個(gè)寬頻帶、光功率為50μm/cm2的白光作為照射光源.由測(cè)試數(shù)據(jù)可知在有緣區(qū)域5mm和7mm獲得相似的位置分辨率；有緣區(qū)域6mm處獲得最好的位置分辨率.

圖3　PSD的位置分辨率傳輸函數(shù)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位置敏感探測(cè)器的位置分辨率為834.45μm,注入雙硼離子的新型結(jié)構(gòu)位置敏感探測(cè)器的位置分辨率為3 409.34μm.因此，基于離子注入方法的新型PSD結(jié)構(gòu)能獲得較好的位置分辨率.

兩種不同結(jié)構(gòu)的位置敏感探測(cè)器位置特性曲線測(cè)量結(jié)果分別如圖4和圖5所示.

圖4 四邊形結(jié)構(gòu)的位置敏感探測(cè)器的位置特性曲線

圖5 注入雙硼離子的新型位置敏感探測(cè)器的位置特性曲線

根據(jù)上述定義，從測(cè)量結(jié)果中可以算出四邊形結(jié)構(gòu)的位置敏感探測(cè)器的線性度為0.94%，注入雙硼離子的新型結(jié)構(gòu)位置敏感探測(cè)器的線性度為0.09%，幾乎比四邊形位置敏感探測(cè)器提高了一個(gè)數(shù)量級(jí).

3.2動(dòng)態(tài)特性

在實(shí)際測(cè)量中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測(cè)量的大小，還要正確地再現(xiàn)被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律.由于PSD固有因素的影響，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入之間的差異就是響應(yīng)時(shí)間誤差[8-9],故分析PSD的響應(yīng)時(shí)間誤差對(duì)提高測(cè)量系統(tǒng)精度有著十分重要的意義.

(5)

(6)

圖6 電壓與時(shí)間的響應(yīng)曲線

4結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙離子注入方法提出一種新型的PSD結(jié)構(gòu).這種新型結(jié)構(gòu)通過(guò)注入雙硼離子形成低和淺摻雜的PN結(jié).靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比新型結(jié)構(gòu)能獲得較高的位置分辨率，線性度提高一個(gè)數(shù)量級(jí). 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)表明， 與傳統(tǒng)的結(jié)

構(gòu)相比新型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好.

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(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-05-22

作者簡(jiǎn)介：李倩，女，Liqianllz@163.com; 通信作者：李田澤，男，ltzwang@163.com

文章編號(hào)：1672-6197(2015)01-0058-04

中圖分類號(hào)：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

NewPSDstructurebasedonadualionimplantation

LIQian,LITian-ze，CHENXiang-peng

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:Based on the analysis of the traditional structure of semiconductorposition sensitive detector (PSD),we studied a new type of structure for PSD using dualion implantation method. The new structure of the N type silicon substrate was formed by injecting a high dose, low-energy boron ions andanother high energy boron ions that subsequently annealed for 2h at 1 050℃ in an ambient of dry O2to form a shallow and low doped PN junction. Experimental results show that the new structure of PSD can obtaine high position resolution, smaller errors and nonlinear response time.

Key words:the new PSD structure; dual ion implantation; annealing