基于雙離子注入法的新型PSD結構

李　倩， 李田澤, 陳祥鵬

(山東理工大學電氣與電子工程學院， 山東淄博 255049)

基于雙離子注入法的新型PSD結構

李倩， 李田澤, 陳祥鵬

(山東理工大學電氣與電子工程學院， 山東淄博 255049)

摘要：在分析半導體光電位置敏感探測器(PSD)傳統結構的基礎上，采用雙離子注入方法，研究一種新型的PSD結構.這種新型結構通過在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℃擴散爐中氧氣保護退火2h，形成淺和低摻雜的PN結.實驗結果表明，新型PSD結構可獲得較高的位置分辨率、較小的響應時間誤差及非線性.

關鍵詞：新型PSD結構； 雙離子注入； 退火

光電位置敏感探測器(PSD)是一種基于橫向光電效應、用于對入射光斑位置的連續變化進行測量的探測器，具有較高的靈敏度和寬的光譜響應范圍，瞬態響應性能好、結構緊湊，PSD在精密尺寸測量、對接、震動測量、轉角測量甚至三維形貌測量、機器人傳感等領域都有廣泛的應用[1-3].雖然PSD的橫向光電效應從發現至今已有八十多年的歷史，PSD的商用開發及應用也已經歷了近四十年，已形成部分系列產品，但PSD仍存在位置分辨率低、動態響應特性差、非線性較大以及新型結構探索等許多尚未解決的問題[4].本文采用雙離子注入法，研究新型位置敏感探測器(PSD)結構.

1PSD工作原理

當入射光點落在PSD感光面的不同位置時，將對應輸出不同的電信號，通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點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兩端位置引出兩個電極；二維PSD是在光敏面的兩邊對邊上的幾何中心點位置引出四個收集光電流的電極[5].

一維PSD電流與光點位置方程為

(1)

(2)

二維PSD電流與光電位置方程為

(3)

(4)

2 新型PSD結構研究

2.1PSD的基本結構

PSD的基本結構是由一輕摻雜的N型半導體和一重摻雜的P+型半導體構成的P+N結，當內部載流子擴散和漂移達到平衡時，就建立了一個方向由N區指向P區的結電場.

2.2PSD的新型結構

如圖1所示，PSD的新型結構采用雙離子注入法，通過在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℃擴散爐中氧氣保護退火2h，形成淺和低摻雜的PN結.

圖1 注入雙硼離子的新型PSD結構

2.2.1 離子注入法

離子注入法是在真空中、低溫下把雜質離子加速(加速電壓≥105V)，使雜質離子獲得很大的動能而直接進入晶體中的方法[6-7].晶體在注入離子后必將同時在其中產生一些晶格缺陷，因此離子注入后需要通過退火來消除這些缺陷，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，用磷離子的擴散來實現裝置活動區域電解質濃度的降低，達到150nm厚度時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+區域并且低能量不會讓摻雜劑穿過氧化物到該設備活躍的區域；第二種注入的硼離子具有高能量(150keV)，用于控制P側活躍接觸區域的電阻率.兩種硼離子注入后,在1 050℃擴散爐中氧氣保護退火2h.圖2為兩種硼離子注入后的濃度與結深的曲線關系.

圖2 硼離子注入后的濃度和結深曲線

3實驗與分析

PSD的靜態特性和動態特性分別通過恒定光點和脈沖激光進行測量.PSD的靜態特性是指被測量的值處于穩定狀態時傳感器的輸出與輸入的關系,衡量傳感器靜態特性的重要指標是線性度、靈敏度、遲滯和溫度漂移等；PSD的動態特性是指傳感器的輸入量隨時間變化時輸出量的響應特性，反映輸出值真實再現變化的輸入量的能力.

3.1 靜態特性

如圖3所示是PSD在有緣區域分別為4mm、5mm、6mm、7mm下測試的位置分辨率，該測量裝置采用一個寬頻帶、光功率為50μm/cm2的白光作為照射光源.由測試數據可知在有緣區域5mm和7mm獲得相似的位置分辨率；有緣區域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

傳統結構的位置敏感探測器的位置分辨率為834.45μm,注入雙硼離子的新型結構位置敏感探測器的位置分辨率為3 409.34μm.因此，基于離子注入方法的新型PSD結構能獲得較好的位置分辨率.

兩種不同結構的位置敏感探測器位置特性曲線測量結果分別如圖4和圖5所示.

圖4 四邊形結構的位置敏感探測器的位置特性曲線

圖5 注入雙硼離子的新型位置敏感探測器的位置特性曲線

根據上述定義，從測量結果中可以算出四邊形結構的位置敏感探測器的線性度為0.94%，注入雙硼離子的新型結構位置敏感探測器的線性度為0.09%，幾乎比四邊形位置敏感探測器提高了一個數量級.

3.2動態特性

在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態信號，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測量的大小，還要正確地再現被測量隨時間變化的規律.由于PSD固有因素的影響，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種輸出與輸入之間的差異就是響應時間誤差[8-9],故分析PSD的響應時間誤差對提高測量系統精度有著十分重要的意義.

(5)

(6)

圖6 電壓與時間的響應曲線

4結束語

本文采用雙離子注入方法提出一種新型的PSD結構.這種新型結構通過注入雙硼離子形成低和淺摻雜的PN結.靜態特性實驗表明，與傳統的結構相比新型結構能獲得較高的位置分辨率，線性度提高一個數量級. 動態特性實驗表明， 與傳統的結

構相比新型結構動態響應誤差較小，動態響應特性較好.

參考文獻：

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[3]AnderssonHA，MattsonGG,ThungstromG, et al.Theeffectofmechanicalstressonlateral-effectpositionsensitivedetectorcharacteristics[J].Science-direct,2006,A(563):150-154.

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(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-05-22

作者簡介：李倩，女，Liqianllz@163.com; 通信作者：李田澤，男，ltzwang@163.com

文章編號：1672-6197(2015)01-0058-04

中圖分類號：TN929.1

文獻標志碼：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