CN101258577A - 高灵敏度、高分辨率的检测器装置和阵列 - Google Patents

Abstract

本发明描述了雪崩放大结构(1)，所述雪崩放大结构(1)包含电极(2)和(8)、雪崩区(3)、计量器(4)、积分器(5)、调节器(6)和衬底(7)，被设置成检测由少至几个电子组成的弱信号。计量器(4)调整雪崩过程。积分器(5)累积信号电荷。调节器(6)排空所述积分器(5)并且控制所述计量器(4)。所述雪崩放大结构(1)包含：标准计量器，反向偏压设计；标准计量器，标准偏压设计；横向计量器，标准偏压设计；可变计量器，标准偏压，调节电极设计；标准计量器，标准偏压，调节电极设计；以及横向计量器，标准偏压，环形积分器设计。类似地，设置雪崩放大结构(1)以提供多通道装置的阵列。所述结构对于国防关键性装置直接具有适用性。

Description

高灵敏度、高分辨率的检测器装置和阵列

技术领域

本发明涉及能够记录可以包括少至几个电子的低水平信号的单通道和多通道检测器。具体而言，本发明是一种放大雪崩装置，其中放大是通过多层固态智能放大器设计实现的。

背景技术

低水平信号的检测和记录对于传感器装置是特别有挑战性的。例如，这种装置的灵敏度、选择性、操作范围和阵列设置要求包括少至几个电子的信号的精密检测。

用于检测并且记录低水平信号的一条普遍途径包括：如由AlbertJ.P.Theuwissen在″使用电荷耦合器的固态成像″(Solid-State Imaging withCharge-Coupled Device)(由Kluwer在1995年出版)(ISBN 0-7923-3456-6)中所述，在具有几十个电子的阈值灵敏度的场效应晶体管上的电荷灵敏放大器。

另一条途径包括在电荷藕合装置中的输出视频信号放大器，所述输出视频信号放大器确保与在场效应晶体管上的电荷灵敏放大器几乎相同的灵敏度。

读出弱电信号的又一条途径是使用信号载流子的雪崩放大或倍增，其通常为最灵敏和高速的放大方法。雪崩型装置包括由F.Capasso在学术出版社(Academic Press)于1985年出版的″半导体和半金属中的雪崩光电二极管的物理学″(Physics of Avalanche Photodiodes in Semiconductors andSemimetals)，第22卷中描述的装置。

雪崩放大基于在强电场中发生的碰撞电离，其中在电场中加速的信号载流子使放大器的工作介质的原子电离，从而导致信号载流子的倍增(例如，加倍)。然而，在高的倍增因数，难以稳定雪崩放大工作点。另外，内部(过量)噪音水平和响应时间随着增加的倍增因数迅速增加。由此，常规的雪崩光电二极管使用相当低的倍增因数M，典型地小于10³，从而阻止在宽带中检测并且记录由几个电子组成的信号。

如由Ekstrom在USPN4,303,861中描述，雪崩倍增还用于使用盖革-缪勒(Geiger-Muller)计数器记录个别的电离粒子。进入这种装置的粒子引发信号载流子的倍增的雪崩状过程直至必要的记录水平。最近，这种原理成功地用于在半导体雪崩型光电二极管中记录单个电荷载流子。然而，放大的这种盖革-缪勒原理不允许区分一个或几个输入的电荷载流子内的信号(即，它不提供对于电荷载流子的数目的高分辨率)。

Shushakov等在USPN 6,885,827中描述了一种系统和方法并且要求其专利权，所述系统和方法用于通过将输入的信号分配到独立放大的独立的信号部分中检测输入的信号，从而独特地能够实现高放大因数、低噪音和快的响应速度。该发明包括几个步骤。将信号分配到多通道阈值放大器的各条通道上，如此每条通道只具有一个基本的电荷。放大器的每条通道将输入端的单个电子转化为输出端的标定后的电荷包。每条通道的输出信号的总和允许测量几个电子电信号的值，所述电子电信号被传递到具有高精度的分立(discrete)放大器的输入端。在分立放大器的每条通道提供对单个电子的标定放大。除阈值雪崩放大器以外，每条通道配备有累积放大的电荷信号包的积分器。在接收需要的电荷包之后，积分器通过调节器(governor)与计量器(quantifier)连通，从而使通道变为OFF。调节器用于控制计量器的电势，并且从积分器排出(drain)电荷以将通道转换回到其初始状态。

因此，应该理解仍然需要进一步提升和改善，从而能够检测弱信号。因此，需要的是与由Shushakov等在USPN 6,885,827中提供的系统和方法兼容的放大雪崩结构，所述放大雪崩结构能够进一步提升和改善弱信号的检测。

发明内容

本发明的一个目的是提供放大雪崩结构，所述放大雪崩结构与由Shushakov等在USPN 6,885,827中提供的系统和方法兼容，并且能够进一步提升和改善弱信号的检测。

根据本发明，公开了基于由Shushakov等描述的原理工作的放大雪崩结构的各个实施方案。本发明包括设置成检测由少至几个电子组成的弱信号的透明和不透明电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器和衬底。雪崩放大结构包括：标准计量器，反向偏压设计；标准计量器，标准偏压设计；横向计量器，标准偏压设计；可变计量器，标准偏压，调节电极设计；标准计量器，标准偏压，调节电极设计；以及横向计量器，标准偏压，环形积分器设计。类似地设置放大结构以形成多通道装置。

根据本发明的几个实施方案，以盖革模式(Geiger mode)工作的放大雪崩结构包括两个电极、雪崩区、用于累积信号电荷的积分器、用于将雪崩过程开启和关闭的计量器以及用于从积分器排出电荷的调节器，积分器由设置在平面衬底上的半导体结构组成，其中调节器和积分器被依次设置在电极之一的后面，雪崩区邻接积分器区的边缘外围，如此在雪崩区和调节器之间没有电接触，并且由邻接雪崩区的积分器表面提供计量器。调节器可以由与雪崩区相同，但掺杂更少或者带隙更宽的半导体材料组成。在放大雪崩结构下侧的衬底可以是高掺杂层，所述高掺杂层具有与雪崩区相同类型的导电性并且由相同的半导体材料组成。衬底也可以由与雪崩区材料相比导电类型相同，而掺杂更少的半导体材料组成。在下接触侧，衬底可以具有导电类型与雪崩区相同的高掺杂接触层。

根据本发明的其它实施方案，可以通过设置在衬底的背侧或底侧的电极或者通过设置在衬底的上侧的电极实现与雪崩区接触。

根据本发明的其它实施方案，除其上设置调节器的区域以外，放大雪崩结构的整个上表面可以覆盖有电介质层。

根据本发明的其它实施方案，将电介质层设置在积分器和雪崩区的上表面上，并且接触调节器层的电极占据雪崩结构的整个上表面，或者将具有上电极的调节器沿着雪崩结构的表面设置。

根据本发明的其它实施方案，可以将上电极沿着雪崩结构的整个表面设置，并且电极可以是透明的。

根据本发明的其它实施方案，放大雪崩结构可以包含信号传输层，所述信号传输层是沿着雪崩区的一侧设置的，并且由掺杂至多与雪崩区同样程度的或者带隙比雪崩区更窄的相同半导体材料和导电类型组成。衬底和所有层可以由相同的半导体材料组成，所述半导体材料的实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP。

根据本发明的其它实施方案，放大雪崩结构可以具有设置在积分器和调节器之间的另外的导电接触区，其方式为不与雪崩区以及在积分器和雪崩区的上表面上的阻挡层直接电接触，所述阻挡层不与接触调节器的上电极接触。可以将电介质层施加到阻挡层的整个上表面上，并且接触调节器的上电极可以占据雪崩结构的整个上表面。阻挡层可以由导电类型相同的半导体材料组成，并且具有至多与雪崩区同样程度的掺杂。阻挡层可以由导电类型相反的半导体材料组成，并且具有比雪崩区更少的掺杂。衬底和所有层可以由相同的半导体材料组成，所述半导体材料的实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP。

根据本发明的其它实施方案，沿着平面衬底设置的以盖革模式工作的雪崩放大结构包含两个电极、设置在衬底和上部第一电极之间的调节器、设置在调节器的侧面周围的积分器以及设置在积分器的外侧周围的雪崩区，其中通过邻接雪崩区的积分器表面执行计量器功能。衬底由导电类型与雪崩区相同但是电阻率更高的材料制成。放大结构可以包含沿着积分器和雪崩区的上表面设置的电介质层，并且接触调节器层的上部第一电极覆盖雪崩结构的整个上表面。在积分器和雪崩区上表面上的放大结构可以包含阻挡层，所述阻挡层由导电类型与雪崩区相同但是电阻率更高的半导体组成。阻挡电极与接触调节器的上电极不允许电接触。

根据本发明的其它实施方案，以盖革模式工作的放大雪崩结构包含两个电极、雪崩区、用于累积信号电荷的积分器、用于将雪崩过程开启和关闭的计量器和用于从积分器排出电荷的调节器，其中调节器和积分器被依次设置在电极之一的后面，雪崩区邻接积分器区的边缘外围以避免雪崩区和调节器的电接触，并且由积分器表面提供计量器，所述积分器表面邻接雪崩区，包含设置在接触该雪崩区的电介质层上的第三电极。衬底可以由与雪崩区材料相比具有相同类型的导电性，但是掺杂更少的半导体材料组成。而且，可以将导电接触区设置在积分器和调节器之间以避免与雪崩区直接电接触，并且在一侧的积分器和雪崩区的表面和在另一侧的电介质层之间，阻挡层可以由导电类型与雪崩区的导电类型相同，但具有更低的掺杂杂质浓度的半导体材料组成。

根据本发明的其它实施方案，以盖革模式工作的放大雪崩结构可以包含雪崩区、用于累积信号电荷的积分器、用于将雪崩过程开启和关闭的计量器以及调节器，所述调节器用于从积分器排出电荷，并且控制被设置在两个电极之间的重掺杂衬底上的计量器，所述重掺杂衬底上设置有雪崩区的层，所述雪崩区由导电类型相同但电阻率更高的材料组成。积分器可以由重掺杂的半导体材料组成，所述半导体材料具有与衬底、高阻抗半导体材料的调节器和计量器的导电性相反的导电性，所述计量器被设置在雪崩区和积分器之间的界面。积分器可以在与衬底平面平行的方向上具有低电导。衬底和除调节器以外的放大雪崩结构的所有层可以由相同的半导体材料组成。调节器层可以由相同的材料或者带隙比组成其它层和衬底的材料的带隙更宽的材料组成。放大雪崩结构可以包含信号传输层，所述信号传输层能够产生自由电荷载流子并且将电荷传输到雪崩区。衬底和所有层可以由相同的半导体材料组成，所述半导体材料的实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP。

根据本发明的其它实施方案，以盖革模式工作的雪崩放大结构包含平面叠层的半导体结构，所述半导体结构被安装在两个电极之间的衬底上，其中一个接一个顺序设置雪崩区和调节器的层，所述调节器能够从积分器排出电荷并且控制计量器，并且在雪崩区和调节器的界面执行能够累积信号电荷的积分器的功能以及用于将雪崩过程开启和关闭的计量器的功能。雪崩区和调节器之间的界面可以在平行衬底平面的方向上具有低电导。

根据本发明的其它实施方案，以盖革模式工作的雪崩放大结构可以由平面叠层的半导体结构组成，所述半导体结构被设置在重掺杂衬底上的两个电极之间，所述重掺杂衬底上接连设置由导电类型与衬底的导电类型相反的半导体组成的雪崩区以及由高阻抗半导体材料组成的调节器的层，以将计量器设置在衬底和雪崩区之间的界面，并且将积分器设置在雪崩区和调节器之间的界面。

根据本发明的其它实施方案，以盖革模式工作的雪崩放大结构可以由平面叠层的半导体结构组成，所述半导体结构被设置在重掺杂衬底上的两个电极之间，所述重掺杂衬底上接连设置下列层以将计量器设置在雪崩区和积分器的界面：由高阻抗半导体材料组成的调节器；由导电类型与衬底材料的导电类型相同的重掺杂材料组成的积分器；以及由导电类型与衬底的导电类型相反的半导体组成的雪崩区。所有层和衬底可以由相同的半导体材料组成，或者除调节器以外的所有层可以由相同的半导体材料组成，并且调节器层由带隙比其它层和衬底更宽的材料组成。信号传输层可以被设置在上电极和雪崩区之间，并且能够产生自由电荷载流子且将电荷传输到雪崩区中。除信号传输层以外的所有层可以由相同的半导体材料组成，而信号传输层可以由导电类型与雪崩区相同、带隙更窄的半导体材料或高电阻半导体材料组成。衬底和所有层可以由相同的半导体材料组成，所述半导体材料的实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP。

阐述随后的公开内容以首先描述各种说明性的独立或单个结构，所述结构可以以单独的方式使用或者可以被集成为分立的放大器的矩阵。即，原则上，各个独立的结构可以用作与盖革雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管(SAPD)或内部的分立放大器类似的独立(self-contained)功能装置，但是还特别好地适合集成以提供多通道内分立放大器或多通道盖革模式放大器或多通道SAPD阵列。

在基本的分立放大结构的说明性实施方案，包括与这些和另外的结构对应的说明性权利要求的公开之后，描述了基于这些说明性的分立装置结构的阵列的多通道分立放大器的各个说明性实施方案。

本领域技术人员应该理解，本文的描述包括由说明性权利要求部分提供的公开内容，是本发明的说明和解释，而不意在为限制性的或限制通过本发明可以获得的优点。因此，附图组成部分说明了本发明的各个优选实施方案，并且与说明书和说明性权利要求一起用来解释本发明的原理。此外，说明性权利要求不意在限制本发明人所构思、考虑并且预期的本发明的范围，而被阐述以提供本发明所包括的主题的另外的理解和公开。在这方面，这些说明性权利要求是与它们包括的说明性实施方案一起显示的，并且参考它们包括的说明性实施方案，并且说明性权利要求和附图的这些并置和引用不意在将权利要求限制为实施方案，也不意在将本发明的范围限制为在此陈述的说明性权利要求。

因此，本领域技术人员应该理解，在此描述的实施方案和备选的实施方案以及变化只是说明不限于此的本发明。例如，根据各个实施方案的说明性非限制特征，这些装置可以是完全均质的半导体装置，例如全部基于硅。然而，本领域技术人员应理解，这些装置可以是使用包括化合物半导体的其它材料实现的，并且不必是均质的，而可以包括异质部件。更具体而言，作为实例，尽管随后的每个说明性实施方案在整个装置内均使用单晶硅作为半导体材料，但是本领域技术人员应理解可以使用其它单晶、多晶、元素和/或化合物半导电材料实现分立的装置和/或阵列的一个或多个组件、层或部件。类似地，尽管随后的说明性实施方案使用均质结和异质结，但是可以使用金属-半导体结实现需要的功能。例如，可以通过更宽带隙的材料实现调节器，而信号传输区具有带隙比其它层更低的材料。而且，如本领域技术人员所理解的，除在此明确描述的那些以外，还可以使用各种其它绝缘和导电(例如，金属)材料。

因此，尽管本发明的说明性实施方案在此的公开以及各种说明性修改及其特征提供诸多特定性，但是这些启用的细节不应该被解释为限制本发明的范围，并且本领域技术人员应该容易理解在不偏离本发明的范围并且不减少其附带的优点的情况下，本发明能容许多种修改、改编、改变和等同的实施。还应指出术语和表述用作说明性术语，而不是限制性术语。不意在使用所述术语或表述而排除所显示并且描述的特征及其部分的任何等价物。因此，希望本发明不限于公开的实施方案，而应该根据将在要求本临时申请的优先权的任何非临时申请中给出的权利要求来限定。

本发明提供相对于相关技术的几个优点。本发明促进用于记录并且计算单独的电子和光子的独立高灵敏仪器。本发明适用于单和多通道装置。本发明独特地允许构建具有高放大因数、低噪音和快响应速度的检测器。

附图说明

在根据结合附图进行的下列描述考虑本发明时，本发明的另外的方面、特征和优点应该得到理解，并且应该变得更显而易见，其中：

图1A-1C是本发明的几个说明性实施方案的示意性横截面图，所述实施方案包含具有反向偏压的雪崩方向的雪崩放大结构，显示了电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器、衬底和任选的信号传输层的位置关系；

图2A显示了与图1A的结构对应的材料层序列；

图2B-2C描述了在放大器的各种操作条件中与图2A中所示的材料层结构对应的能带图；

图2D描述了在图1A中所示的雪崩放大结构的功能组件；

图3显示了根据本发明的一个实施方案的反向偏压的雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有空穴和电子积分器；

图4描述了在图3中所示的雪崩放大结构的功能组件；

图5显示了根据本发明的一个实施方案的反向偏压的雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有空穴、电子积分器和空穴的埋入通道；

图6A-6B显示了根据本发明的实施方案，两种反向偏压的雪崩放大结构的横截面图；

图7A-7C是本发明的几个说明性实施方案的示意性横截面图，所述实施方案包含具有正常的雪崩方向的雪崩放大结构，显示了电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器、衬底和任选的信号传输层的位置关系；

图8A显示了与图7A的结构对应的材料层序列；

图8B-8C描述了在放大器的各种操作条件中与图8A中所示的材料层结构对应的能带图；

图9显示了根据本发明的一个实施方案，具有保护环(ring guard)区的正常方向的雪崩放大结构的横截面图；

图10显示了根据本发明的一个实施方案，使用高场注入的正常方向的雪崩放大结构的横截面图；

图11显示了根据本发明的一个实施方案，具有背面照明的正常方向的雪崩放大结构的横截面图；

图12显示了根据本发明的一个实施方案，使用高场注入和空穴积分器的正常方向的雪崩放大结构的横截面图；

图13描述了在图12中所示的正常方向的雪崩放大结构的功能组件；

图14显示了根据本发明的一个实施方案的正常方向的雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有保护环和空穴积分器；

图15A-15O是本发明的各个说明性实施方案的示意性横截面图，所述实施方案包含具有横向的雪崩方向的以盖革模式工作的雪崩放大结构，显示了电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器和衬底以及任选的电介质层、信号传输层、阻挡层、接触区和第三电极的位置关系；

图16显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图；

图17描述了在图16中所示的横向雪崩放大结构的功能组件；

图18显示了根据本发明的一个实施方案的包含InGaAsP的横向雪崩放大结构的横截面图；

图19显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有沿着装置的一侧设置的一对电极；

图20显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有三个电极；

图21显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有沿着装置的一侧设置的单个大电极；

图22显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有阻挡层；

图23显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有沿着装置的上侧的埋入通道和单个大电极；

图24显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有埋入通道和三个电极；

图25显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有沿着装置的上侧的空穴积分器和单个大电极；

图26显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有埋入通道、空穴积分器和三个电极；

图27显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有空穴积分器和在装置周围相反设置的一对电极；

图28A-28B是本发明的两个说明性实施方案的示意性横截面图，所述实施方案包含具有正常的雪崩方向、基于MIS而具有漏极以及三个电极的雪崩放大结构，显示了电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器、衬底和电介质层的位置关系；

图29显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有正常的雪崩方向、基于MIS而具有漏极以及三个电极；

图30A显示了与图29的结构对应的材料层序列；

图30B-30C显示了在放大器的各种操作条件中与图30A所示材料层结构对应的能带图；

图30D描述了在图29中所示的雪崩放大结构的功能组件；

图31显示了根据本发明的一个实施方案的横向雪崩放大结构的横截面图，所述雪崩放大结构具有正常的雪崩方向，基于MIS并具有漏极以及三个电极；

图32A显示了与图31的结构对应的材料层序列；

图32B-32C描述了在放大器的各种操作条件中与在图32A中所示的材料层结构对应的能带图；

图32D描述了在图31中所示的雪崩放大结构的功能组件；

图33是本发明的一个示例性实施方案的示意横截面图，所述实施方案包含具有横向的雪崩方向和空穴积分器的雪崩放大结构，显示了电极、雪崩区、计量器、积分器、调节器、衬底、电介质层和信号传输层的位置关系；

图34是一个示例性多通道装置的示意横截面图，所述多通道装置由示于图33中的横向雪崩放大结构组成；

图35显示了根据本发明的一个实施方案的示于图34中的多通道装置的横截面图，所述多通道装置由示于图33中的横向雪崩放大结构组成；

图36是根据本发明的一个实施方案的示于图37中的多通道装置的俯视图；

图37是根据本发明的一个实施方案的具有单电极的多通道装置的俯视图；以及

图38A-38B是根据本发明的几个实施方案的几个示例性多通道装置的横截面图。

具体实施方式

本申请基于下列美国临时申请并且根据35U.S.C.§119(e)要求其优先权：2005年6月10日提交的美国临时申请60/689,417和2005年6月17日提交的60/691,931，题目：″High Sensitivity，High Resolution DetectorDevices and Arrays″，其全部内容通过引用结合在此。

在可能时，如下面所用的参考标记对应如下列专利文献中所用的参考标记：美国专利6,885,827B2和在2005年3月14日提交的美国专利申请11/080,019，两者的题目都是：″High Sensitivity，High Resolution Detection ofSignals″，其每一个具有相同的发明实体并且属于与本申请共同的所有者，并且其每一个的全部内容通过引用结合在此。

下面的描述包括以(1)标准计量器，反向偏压设计；(2)标准计量器，标准偏压设计；(3)横向计量器，标准偏压设计和(4)可变计量器，标准偏压设计形式区分的单通道装置。可以将在此描述并且要求专利权的设计设置成各种阵列构造，从而提供无穷多的阵列设计。各个实施方案是在光26碰撞至少一个电极的情况下显示的。低掺杂通常被理解为指小于10¹⁵cm^-3并且重掺杂或高掺杂指大于10¹⁷cm^-3。在此所述的装置是通过本领域中熟悉的方法制造的。

作为背景，调节器的功能是由其比雪崩层更高的阻抗提供的。通过在USPN 6,885,827中描述的各种方法，包括低掺杂水平，具有低的载流子迁移率或通过特殊处理具有人为降低的迁移率的材料实现高阻抗。还利用在调节器层和邻接层之间的势垒实现需要的阻抗。通过在调节器和邻接层内部的掺杂调节势垒高度。如果邻接层是金属，则可以通过其功函调节势垒。

调节器起着控制或调节计量器的电势的作用，所述计量器然后将这种电势转变为电场，从而将阈值放大器切换为ON或OFF状态并且从积分器排出累积的电荷以使积分器返回到其初始状态。

高的阻抗虚部(imaging part ofimpedanc)(由于元件电感、电流相位相对于电压相位的移动)提供需要的调节器功能，意味着在信号载流子倍增的同时调节器短时间内具有极低的电导率，从而在几乎没有排出的情况下有效地累积所有产生的电荷。另一方面，在短时间(延迟)后，电导变高(等于阻抗的实部)，从而允许排出累积的电荷并且迅速返回到初始状态。

通过材料性能(低的载流子迁移率)或在调节器和邻接层之间存在势垒提供高的阻抗虚部。材料性能导致电流相对于施加电压的延迟。低迁移率可以通过离子注入(和其它的特殊处理)实现，或者可以是材料本身的性能。势垒防止来自积分器的累积电荷(即电子)立即流向调节器，并且在调节器另一侧的第二势垒是对另一种类型的载流子(即空穴)而言的。

单通道装置-标准计量器，反向偏压

现在参考图1A，显示了雪崩放大结构1的一个实施方案的一个单通道元件，所述雪崩放大结构1使用反向偏压供给的电压以盖革模式工作。雪崩放大结构1是大体上平面的结构，所述结构包含以下述顺序设置和接触的第一电极2、雪崩区3、计量器4、积分器5、调节器6、衬底7和第二电极8。雪崩区3包含电导与重掺杂衬底7的电导相反的多个半导体层。调节器6是弱掺杂的半导体材料，由此将计量器4设置在积分器5和雪崩区3之间的界面。同样，将积分器5设置在调节器6和雪崩区3之间。

现在参考图1B，显示了以盖革模式工作的反向偏压的雪崩放大结构1的备选实施方案，所述实施方案包含处于下述顺序的第一电极2、调节器6、积分器5、雪崩区3、计量器4、衬底7和第二电极8。雪崩区3包含电导与重掺杂衬底7的电导相反的多个半导体层。将计量器4设置在衬底7和雪崩区3之间的界面。将积分器5设置在调节器6和雪崩区3之间的界面。

现在参考图1C，显示了以盖革模式工作的反向偏压的雪崩放大结构1的另一个备选实施方案，其中将信号传输层27设置在图1A中所示的第一电极2和雪崩区3之间。将计量器4设置在积分器5和雪崩区3之间的界面。

各种材料适用于图1A-1C中的雪崩区3、计量器4、积分器5、调节器6、衬底7和信号传输层27。例如，每一层可以由相同或不同半导体材料组成，实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP，所述半导体材料被掺杂以提供需要的电性能。在其它实施方案中，调节器6可以由带隙比其它层的带隙更宽的材料组成。在另外的其它实施方案中，信号传输层27可以由带隙比其它层的带隙更窄的材料组成。在另外的其它实施方案中，第一电极2和/或第二电极8可以由导电金属或透光并且导电的材料组成，其实例包括但不限于透明的ITO和Al掺杂的ZnO。而且，雪崩区3、计量器4、积分器5、调节器6和衬底7以及信号传输层27可以包含被设置为形成叠层结构的两个或更多个层，所述叠层结构具有或不具有内含物或者具有另外的其它非掺杂和掺杂的半导体材料的区域。层和装置可以包括平面和非平面的形状。同样，截面图可以显示平面的和/或径向的范围的结构。SiO₂层可以由其它相当的材料组成。

现在参考图2A，材料层序列被显示为与图1A中所示的雪崩放大结构1的一个示例性实施方案对应。该装置包含透明电极105、p-Si层100、n⁺-Si层102、i-Si层110、n⁺-Si层109和电极106。优选为金属的电极106电连接到具有正电压U_sup的电源上，并且透明电极105与地电连接。

现在参考图2B-2C，提供能带图以说明图2A中的装置的功能。图2B显示了在出现信号载流子之前的装置的初始状态，即将正电压U_sup施加到电极106上，n⁺-Si层109具有电极106的电势，并且重掺杂n⁺-Si层102放电并且以浮置(floated)电极的形式工作以获得与n⁺-Si层109几乎相同的电势。在本实施例中，将几乎全部电压施加到p-Si层100上。电压应该是足够的，使得p-Si层100中的电压降(U_amp)超过处于ON状态的雪崩击穿值。在本实施例中，p-Si层100是雪崩阈值或盖革模式放大器。从图2B中看出，施加到放大器上的电压(U_amp)等于U_sup-U_r，其中U_r由i-Si层110中的小电压降产生。如果U_r最初太高，则由于场增强的热发射或者与从n⁺-Si层102至n⁺-Si层109跨过图2B中所示的势垒的电子相关的放电电流，它将随着时间降低。i-Si层110可以由i-型、弱掺杂的p-型或弱掺杂的n-型半导体材料组成。在i-Si层110内的掺杂调节在调节器和邻接层之间的势垒高度。在没有来自p-Si层100的充电电流的情况下，与图1A中的积分器5对应的n⁺-Si层102放电，直至其电势几乎等于电极106的电势。

现在参考图2C，当自由载流子(电子)出现在p-Si层100的高场区中时，它引发过击穿雪崩倍增，从而通过区-区(zone-zone)碰撞电离过程产生新的电子62和空穴64对。雪崩电子电流及时地迅速增加，并且变得比来自n⁺-Si层102的流出电流更大，并且在p-Si层100中产生的电子62将积分器5或n⁺-Si层102迅速充电。所述的行为降低了放大器或p-Si层100内的电压降，并且关闭雪崩过程以将放大器切换至OFF状态。

在放大器上的电压降与在i-Si层110或调节器6中的电压升高相关，从而导致在放大器和调节器6之间的供给电压的再分配。调节器6导致积分器5的放电延迟，从而使电流相位相对于雪崩电流及时移动。这种延迟足以终止放大器内的雪崩过程。

尽管不意在受到理论束缚，但是放电延迟可以具有依赖于装置状态以及调节器6的设计和性能的一个或多个物理原因。例如，最初，当电压U_r低时，热发射或放电电流比雪崩或到积分器5的充电电流小。当U_r增加时，主要的原因可能包括流出电流受到空间电荷效应的自限制、自由载流子通过调节器6的有限飞行时间、在调节器6内的载流子迁移率比放大器中的载流子迁移率更低或者限制电流放电或与雪崩电流相比其相位的移动的其它物理机制。据估计，根据装置设计和需要的增益，足以将放大器变为OFF状态的最小延迟时间在约10-400皮秒的范围内，从而表示响应一个信号载流子在积分器5内累积的基本电荷的数量。

在将放大器切换至OFF状态之后，到积分器5中的充电电流变为零，并且积分器5通过调节器6放电，放大器被切换回到ON状态，并且装置返回到图2B中所示的初始状态。

通过由i-Si层110(电容读出器)分开的重掺杂n⁺-Si层102和n⁺-Si层109的互电容或者通过调节器6或电流读出器检测积分器5放电电流，可以读出来自积分器5内累积的雪崩倍增电荷的结果。两种读出方法导致在电极106中出现与积分器5内累积的电荷对应的电荷。

现在参考图2D，参考图2A中的装置的相应的物理示例显示分立放大器的功能性方案。该功能性方案被显示为包含传输器9、阈值放大器10、计量器11、积分器12、调节器13和读出器14。

传输器9与其中电场不为零的p-Si层100的部分对应。自由电子在传输器9内碰撞，并且被传输到阈值放大器10的输入端。

阈值放大器10与p-Si层100的一部分对应，在该部分电场对于处于ON状态的碰撞电离是足够的。p-Si层100内的电压降超过击穿电压，从而允许阈值放大器10以盖革模式工作。

计量器11与p-Si层100和n⁺-Si层102之间的界面对应。计量器11的电势调节阈值放大器10中的雪崩过程(电场强度)。对于平面的计量器11，传输常数等于1。对于非平面的设计，基于导致场集中使得对于相同的电势最大场变得更高的设计的曲率，大于1的传输常数是可能的。计量器11起着将积分器12电势转变为限定雪崩强度的场强度的作用。传输常数可以被定义为场强度相对于电势的增加的反应或增加。

积分器12是在n⁺-Si层102内示出的，因为它累积来自阈值放大器10的电流并且控制计量器11的电势。

调节器13是在i-Si层110内示出的，因为它调节来自积分器12的放电电流并且延迟放电以将阈值放大器10转变至OFF状态，以及在电荷载流子的放大之后使装置返回到其初始状态。

读出器14，即电容变体，具有n⁺-Si层102、i-Si层110和n⁺-Si层109组成的电容。如此，在积分器12内累积的电荷诱导在n⁺-Si层109中以及在与其电耦合的第二电极106上的相反信号电荷的出现。

在图2B-2C中的能带图进一步显示了具有接近第一电极105的未耗尽区的p-Si层100。典型的p-Si层100为5-6μm宽，具有4Ω-cm的电阻率。在备选实施方案中，p-Si层100的宽度可以小于耗尽区宽度，使得电场到达p-Si层100和第一电极105的界面，从而允许通过靠近界面的光产生的光载流子有效地聚集。在一些实施方案中，在电场到达界面时，可以需要防止电子从电极105注入p-Si层100中。如此，电极105可能具有电子的肖特基势垒或者置于电极105和p-Si层100之间的p⁺区。

从上面的描述中非常明显的是，本发明使用新的在装置内集成的猝灭(quenching)的内部方案，以盖革计数器的形式工作，所述内部方案与本领域中已知的有源和无源猝灭不同。有源猝灭需要通过上述功能性没有提供的外部或集成的有源电子器件。无源猝灭需要通过上述功能性没有提供的电阻器或电阻层。

图3、5和6A-6B涉及所述说明性装置的具体实施方案。

现在参考图3，对于本发明的一个实施方案，显示了具有空穴和电子积分器的反向偏压的雪崩放大结构1。该装置包含透明电极105、分开的SiO₂层107(绝缘体)、p⁺-Si区103(重掺杂区)、p-Si区112、p-Si层100、p^--Si层110、n⁺-Si层102、n⁺-Si层109和电极106。p-Si层100的厚度应该足够小，使其完全耗尽以增加短波灵敏度。p-Si层100的优选实施方案包括2-3Ω-cm的掺杂以及2.5-3μm的厚度。用于这种装置的谱范围是300-400nm(依赖于电极105材料的最短波长)并且至多是700-800nm。对于至多1060nm的更长波长的谱灵敏度，p-Si层100的宽度增加，并且掺杂水平降低。

包含一个或多个p⁺-Si区103以阻止电子从透明电极105注入耗尽的p-Si层100。如果p-Si层100不是完全耗尽的，并且场没有到达透明电极105，则p⁺-Si区103可以不是必需的；然而，通常，这将对短波长提供很低的谱灵敏度，所述短波长产生靠近p-Si层100的顶部表面的光载流子。如果该区域没有耗尽，则光载流子将复合而丧失。得到的装置是可操作的，但不是最佳的。然而，在场到达透明电极105(一个更佳的变体)时，于是需要p⁺-Si区103以阻止电子的注入。在优选实施方案中，p-Si层100为2-4μm厚，具有10Ω-cm电阻率。

优选p-Si区112由相同的材料组成，具有相同的活性杂质掺杂，并且在沿p-Si层100的Si-SiO₂界面的横向上具有更低的空穴迁移率。通过中性杂质掺杂、辐照或p对n掺杂形成p-Si区112。

现在参考图4，显示了图3中的实施方案的功能性方案。与图2A中的装置不同，图3的装置包含两个积分器12、16以及两个调节器13、17，从而延迟相应的积分器12、16的放电以起着如图2A中对i-Si层110所述的电子调节器的作用，并且起着与p-Si区112对应的空穴调节器的作用。

当通过自由载流子引发p-Si层100中的雪崩时，空穴64累积在p-Si区112或空穴积分器中的界面，从而与透明电极105相比，增加p-Si层100的顶部表面的电势。这种电势增加局限于在n⁺-Si层102正上方。在p-Si层100中的电压降(U_amp)降低直至累积的正电荷流向p⁺-Si区103，然后流向透明电极105。非常明显的是空穴调节器以与p^--Si层110类似的方式工作。得到的延迟时间依赖于沿着在p-Si区112中的界面移动的空穴的迁移率。

再次参考图4，传输器9、阈值放大器10和计量器11调整雪崩过程，从而将电子积分器12的电势转移到在n⁺-Si区102和p-Si层100之间的界面的阈值放大器10。计量器17调整雪崩过程，从而将空穴积分器的电势转移到阈值放大器10，所述阈值放大器10在n⁺Si区102上方的Si和SiO₂层107之间的界面，并且将电子积分器12设置在n⁺Si区102中。将空穴积分器16设置在n⁺-Si区102上方的p-Si区112和SiO₂层107之间的界面。在除去累积的电子电荷后，电子调节器13延迟电子积分器12的放电。在除去累积的空穴电荷后，空穴调节器17延迟空穴积分器17的放电，其与p-Si区112、电子读出器14和空穴读出器18对应。

当电场到达p-Si区112时并且当p-Si层100和p-Si区112完全耗尽时，在图2D中的功能性方案变为图4中的功能性方案。

现在参考图5，显示了图4中的装置的一个备选实施方案，其中除去p-Si区112并且用空穴的埋入通道114代替，并且增加i-Si区113(第二调节器)以将p⁺-Si区103与透明电极105分开。第二调节器由第一或透明电极105和p⁺-Si区103(重掺杂区)之间的高阻抗半导体材料组成，并且于SiO₂层107内的开口或孔腔一起存在。第二积分器是在雪崩区和所述第二调节器之间的界面形成的。埋入通道114是薄层，优选为0.3μm，具有n掺杂，并且是通过本领域中已知的方法制造的。埋入通道114提高空穴沿着通道的界面的迁移率。在埋入通道内的掺杂浓度应该是足够的，使其被p-Si层100中的场完全耗尽。

埋入通道114确保通过p-Si层100中的雪崩产生的所有空穴沿着层迅速移动，并且累积在p⁺-Si区103或空穴积分器中。结果是将p⁺-Si区103充电，从而相对于透明电极105增加其电势。p⁺-Si区103和i-Si区113以相同的方式工作。结果是i-Si区113中的电压降，和放电以及将阈值放大器切换为OFF状态的延迟。在这种装置中的空穴计量器是在埋入通道114和p-Si层100之间的界面。

p⁺-Si区103的充电导致埋入通道114中累积的空穴的充电以及埋入通道114内的电势的均匀增加，所以在空穴积分器的电容中包含埋入通道114。

在图6A-6B中显示了图5中的装置的备选实施方案。例如，在图6A中，从图5中除去i-Si区113。而在图6B中，除去了p^--Si层110。同样，可以将在图6A-6B中的装置制造成没有埋入通道114。

单通道装置-标准计量器，标准偏压

各种材料适用于图7A-7C中的层和区域。例如，每一层可以由实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP的相同或不同半导体材料组成，所述半导体材料被掺杂以提供需要的电性能。在其它实施方案中，调节器6可以由带隙比其它层的带隙更宽的材料组成。

[]在另外的其它实施方案中，信号传输层27可以由带隙比其它层的带隙更窄的材料组成。在另外的其它实施方案中，第一电极2和/或第二电极8可以由导电金属或光透射并且导电的材料组成，其实例包括但不限于透明的ITO和Al掺杂的ZnO。而且，层和区可以包含两个或更多个层，它们被设置为形成叠层结构，所述叠层结构具有或不具有内含物或者具有另外的其它非掺杂和掺杂的半导体材料的区域。层和装置可以包括平面和非平面的形状。同样，截面图可以显示平面的和/或径向的范围的结构。SiO₂层可以由其它相当的材料组成。

现在参考图7A，显示了雪崩放大结构1的一个实施方案的一个单通道元件，所述雪崩放大结构1采用正常的雪崩方向以盖革模式工作。雪崩放大结构1是大体上平面的结构，包含以下述顺序设置的第一电极2、用于从积分器5排出电荷并且控制计量器4的调节器6、累积信号电荷的积分器5、用于将雪崩过程开启和关闭的计量器4、雪崩区3、衬底7和第二电极8。在积分器5和雪崩区3之间的界面形成计量器4。积分器5可以在平行衬底7的平面的方向上具有有限的电导。在一些实施方案中，所有层可以由相同的材料组成。在其它实施方案中，优选调节器层由具有比其余半导体层的带隙更宽的带隙的半导体材料制成。

现在参考图7B，显示了雪崩放大结构1的单通道元件的另一个备选实施方案，所述雪崩放大结构1采用正常的雪崩方向以盖革模式工作，包含设置在图7A中的雪崩区3和衬底7之间并且与它们接触的信号传输层27。信号传输层27在信号作用下产生自由电荷载流子，并且实现将它们传输到雪崩区3中。

现在参考图7C，显示了雪崩放大结构1的单通道元件的一个备选实施方案，所述雪崩放大结构1采用正常的雪崩方向以盖革模式工作，包含以下述顺序设置的第一电极2、调节器6、雪崩区3、衬底7和第二电极8。雪崩区3和调节器6从积分器5排出电荷，并且控制计量器4。累积信号电荷的积分器5的功能以及将雪崩过程开启和关闭的计量器4的功能是在雪崩区3和调节器6之间的界面执行的。在雪崩区3和调节器6之间的界面可以在平行衬底7的平面的方向上具有有限的电导。

对于采用正常的雪崩方向以盖革模式工作的放大雪崩结构1，同样可以包含雪崩区3、用于累积信号电荷的积分器5、用于将雪崩过程开启和关闭的计量器4、以及用于从积分器5排出电荷并且控制计量器4的调节器6，它们共同组成平面叠层的半导体结构，所述半导体结构被设置在一对电极2，8之间的重掺杂衬底7上。雪崩区3可以由导电性相同但电阻率更高的材料组成，积分器5由导电性与衬底7的导电性相反的重掺杂半导体材料组成，调节器6由高阻抗半导体材料组成，并且计量器4被设置在雪崩区3和积分器5之间的界面。

现在参考图8A，显示了材料层序列，所述材料层包含电极106、p-Si层100、n⁺-Si区102、i-Si层110和透明电极105。图8B-8C显示了描述与图8A中的装置层对应的功能方面的能带图。

现在参考图8B-8C，该装置包含具有取向[100]并且电阻率为10-100Ω-cm的硅衬底，从而具有宽的耗尽区。n⁺-Si区102是重掺杂的，并且具有小于0.5μm的宽度。i-Si层110具有小于几μm的宽度。当可以忽略n⁺-Si区102和i-Si层110中的光吸收时，预期该装置用于红-红外波长。本发明的备选实施方案可以包括i-Si层110，所述i-Si层110由带隙比硅更宽，一个实例为非掺杂ZnO的半导体组成，以降低所述层内的光吸收并且增加短波长灵敏度(绿-蓝)。这些实施方案具有电阻率为1-10Ω-cm的外延p-Si层100。

如由图8B-8C中ON和OFF状态的能带图所说明，操作与类似的反向偏压设计几乎相同。主要区别在于当通过i-Si层110(调节器)使n⁺-Si层102(积分器)放电时，电子和空穴电流可能参与。

图9-12和14涉及所述说明性装置的具体实施方案。

现在参考图9，显示并且描述了具有保护环区的正常方向的雪崩放大结构1的横截面图，所述雪崩放大结构1包含透明电极105、SiO₂层107、i-Si层110、n⁺-Si保护环108、n⁺-Si层102、外延的p-Si层100、p⁺-Si层90(衬底)以及电极106。i-Si层110(调节器)在尺寸上小于该装置，优选其直径为几μm以将光吸收降至最低。在一些实施方案中，i-Si层110可以由具有比硅更宽的带隙，一个实例为未掺杂ZnO的半导体组成。信号光26通过n⁺-Si层102(积分器)进入外延的p-Si层100(雪崩区)。如此，n⁺-Si层102是薄的，典型地小于0.4μm以将该层内的光吸收降至最低。n⁺-Si保护环108抑制边缘效应，并且确保雪崩过程在n⁺-Si层102(积分器)下面的区域上是均匀的。在蓝-绿光实施方案中，外延p-Si层100具有1-2Ω-cm的电阻率以及几个μm的宽度以将耗尽区内的热生电流降至最低。在红-红外实施方案中，外延p-Si层100具有几十μm的更高宽度以及更高的电阻率。通过本领域中熟悉的方法计算外延p-Si层100的宽度和电阻率的精确值，以获得该装置所需的谱灵敏度和其它参数。所描述的装置及其功能元件(积分器、计量器、调节器、衬底和雪崩区)的操作是如上所述的。

现在参考图10，显示并且描述使用高场注入的正常方向的雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1包含透明电极105、SiO₂层107、i-Si层110、n⁺-Si区102、p-注入层101、外延p-Si层100、p⁺-Si层90(衬底)以及电极106。在本实施方案中，使用高场注入代替图9中的扩散保护环抑制边缘效应。这种方法将装置中不存在雪崩的未使用面积降至最低。p-注入层101是n⁺-Si区102以外的薄区域。雪崩倍增局限于p-注入层101内。i-Si层110的直径为几个μm以将该层内的光吸收降至最低。在一些实施方案中，i-Si层110可以由具有比硅更宽的带隙，一个实例为未掺杂ZnO的半导体组成。所述装置的红外实施方案可以使用背面照明(充足-穿过(rich-through))工作，其中场尾(field tail)穿透低掺杂的外延p-Si层100以有效地聚集光载流子，具有高的时间分辨率，同时具有低的工作电压。如上面对图9描述，i-Si层110(调节器)具有小直径。

现在参考图11，显示并且描述使用背面照明(充足-穿过)的正常方向的雪崩放大结构，所述雪崩放大结构包含电极106、SiO₂层107、i-Si层110、n⁺-Si层102、n^--Si保护环108、外延p-Si层100、p^--Si层104、p⁺-Si层103以及透明电极105。该装置的操作如在上图9中所述，不同之处在于将传输器-光转换器设置在p^--Si层104内。此外，i-Si层110的直径为几个μm以将该层内的光吸收降至最低。在一些实施方案中，i-Si层110可以由具有比硅更宽的带隙，一个实例为未掺杂ZnO的半导体组成。p^--Si层104(衬底)具有高电阻率(低掺杂的)并且在工作电压下完全耗尽。所述装置能够检测波长高达1.06μm的红外光。

雪崩现象发生在p-Si层100内，所述p-Si层100具有比p^--Si层104包含的传输-光转换区更高的掺杂。选择p-Si层100的宽度和掺杂使得电场不下降至零，而具有穿透被高掺杂p⁺-Si层103阻挡的p^--Si层104的长尾部。p^--Si层104的宽度应该足以对该装置提供结构强度，优选高达几百μm。p^--Si层104中的场强度对于雪崩应该是不足的，但是足够高，使得自由载流子可以在其中以饱和速度(104V/cm)移动，该饱和速度是通过本领域中熟悉的方法计算的。

p⁺-Si层103应该尽可能薄以将该层内的光吸收降至最低。然而，p⁺-Si层103应该不是完全耗尽的，并且其宽度应该足以阻挡电子从透明电极105注入p^--Si层104中。可以通过本领域中同样熟悉的方法将本领域中熟悉的各种抗反射涂层增加到该装置中。

现在参考图12，显示并且描述使用高场注入和空穴积分器的正常方向的雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1包含透明电极105、SiO₂层107、n⁺Si层102、p-Si层101、外延p^--Si层100、p⁺-Si区130、外延i-Si层113、p⁺-Si层90(衬底)和电极106。该装置与图10不同在于由p⁺-Si层130提供空穴积分器，并且增加外延i-Si层113作为空穴调节器代替电子积分器。而且，除去图10中的i-Si层110，并且将n⁺-Si层102直接耦合到透明电极上以避免电子的累积。

现在参考图13，显示并且描述图12的正常方向的雪崩放大结构1的功能组件。传输器9对应外延的p^--Si层100的耗尽部分，阈值放大器10对应p-Si层101，电子计量器11对应在n⁺-Si层102和p-Si层101之间的界面，电子读出器14对应透明电极105，空穴计量器15对应p^--Si层100和p⁺-Si层130之间的界面，空穴积分器16对应p⁺-Si层130，空穴调节器17对应外延i-Si层113，空穴读出器18对应通过由p⁺-Si区130、外延i-Si层113和p⁺-Si层90组成的电容(信号的HF部分)的电极106，以及通过外延i-Si层113至电极106的电流(信号的LF部分)。当考虑相反的极性和载流子类型时，空穴积分器和空穴调节器的操作与上述操作没有差别。在除去积分器中的累积电荷之后，该装置将雪崩放大器切换为OFF。

设计外延p^--Si层100的宽度和掺杂水平使得该层是完全耗尽的。外延i-Si层113可以由调节空穴的势垒高度的p-型或n-型材料组成。p⁺-Si层130的尺寸、形状和p⁺-Si层130与n⁺-Si层102的距离是影响计时、抖动、最大过电压、在固定过电压下的增益以及其它性能特性的调节参数。

本实施方案的优点在于，与任何雪崩盖革光电检测器或非盖革APD的常规设计不同，在雪崩区之前没有另外的层，并且没有另外的光吸收。而且，将猝灭系统设置在工作区后面，从而允许它与盖革光电检测器一起使用。结果是使用DC电压工作的能力和猝灭系统，所述猝灭系统比常规的无源和有源猝灭方法更有效率得多。

现在参考图14，显示并且描述了具有保护环和空穴积分器的正常方向的雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1包含透明电极105、SiO₂层107、n⁺-Si层102、n^--Si保护环108、外延p^--Si层100、p⁺-Si区130、外延i-Si层113、p⁺-Si层90(衬底)以及电极106。该装置与图12的不同在于使用保护环设计代替高场注入设计。

单通道装置-横向计量器，标准偏压

各种材料适用于在图15A-15O中的层和区域。例如，每一层可以由实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP的相同或不同半导体材料组成，所述半导体材料被掺杂以提供需要的电性能。在其它实施方案中，调节器6可以由带隙比其它层的带隙更宽的材料组成。在另外的其它实施方案中，信号传输层27可以由带隙比其它层的带隙更窄的材料组成。在另外的其它实施方案中，第一电极2和/或第二电极8可以由导电金属或透光并且导电的材料组成，其实例包括但不限于透明的ITO和Al掺杂的ZnO。而且，层和区域可以包含被设置为形成叠层结构的两个或更多个层，所述叠层结构具有或不具有内含物或者具有另外的其它非掺杂和掺杂的半导体材料的区域。层和装置可以包括平面和非平面的形状。同样，截面图可以显示平面的和/或径向的范围的结构。SiO₂层可以由其它相当的材料组成。

现在参考图15A，显示并且描述以具有横向雪崩方向的盖革模式工作的雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1包含以下述顺序分层设置的第一电极2、调节器6、积分器5和雪崩区3、衬底7以及第二电极8。优选雪崩区3、衬底7和第二电极8具有相当的横向范围(extent)。同样，优选第一电极2和调节器6在范围(extent)上比积分器5略小。雪崩区3包含穿过其厚度的的孔洞，在孔洞内存在着积分器5。孔洞和积分器5应该充分大于调节器6以避免在调节器6和雪崩区3之间的直接接触。积分器5的外围应当直接接触雪崩区3使得在这两种材料之间的界面起环形计量器4的作用。积分器5负责累积信号电荷。计量器4控制雪崩过程的ON和OFF状态。调节器6从积分器5排出电荷并且控制计量器4。

图15B-15O显示了图15A中的装置的变体。

在图15B中，由本领域中熟悉的一种或多种材料组成的电介质层19环绕调节器6的外围。优选电介质层19同时覆盖并且接触积分器5和雪崩区3，而不提供调节器6和雪崩区3之间的电管路。

在图15C中，将第二电极8从衬底7上除去，并且用环形结构代替。第二电极现在接触雪崩区3，并且被设置在调节器6以及电极2周围，所述调节器6以及电极2在包括积分器5和雪崩区3的表面上延伸。

在图15D中，在图15B中的第一电极2延伸至完全覆盖调节器6和电介质层19。

在图15E中，调节器6在电介质层19上面延伸，并且具有T形结构以覆盖电介质层19的最上表面。第一电极2接触在积分器5周围的T-形调节器6。

在图15F中，图15E中的第一电极2现在延伸至接触并且覆盖T-形调节器6，以具有与第二电极8一样大的横向范围(extent)。

在图15G中，衬底7和第二电极8横向延伸至雪崩区3的边缘以外。信号传输层27被设置在雪崩区3的外围周围并且与其接触。优选信号传输层27与雪崩区3一样厚。信号传输层27由还组成雪崩区3而更少掺杂的组成的半导体材料组成。

在图15H中，导电接触区25被设置在调节器6和积分器5之间。接触区25具有比积分器5更小的横向范围(extent)，以避免与调节器6直接电接触。阻挡层24被设置在接触区25的外围周围并且与其接触。同样，阻挡层24覆盖积分器5和雪崩区3。阻挡层24由与雪崩区3相同类型的半导体材料组成。阻挡区24不接触第一电极2。

在图15I中，电介质层19被设置在图15H中的调节器6的外围周围并且与其接触。电介质层19还完全接触并且覆盖与雪崩区3相对的阻挡层24。第一电极2只接触调节器6。

在图15J中，在图15I中的第一电极2横向延伸至接触并且覆盖调节器6和阻挡层24。

在图15K中，第三电极50代替图15D中的第一电极2的一部分，其间具有间隙。第一电极2接触调节器6。第三电极50接触电介质层19。

在图15L中，第三电极50代替图15J中的第一电极2的一部分，其间具有间隙。第一电极2接触调节器6。第三电极50接触电介质层19。

在图15M中，积分器5包含在其中存在调节器6以接触在调节器6外围周围的积分器5的孔洞。调节器6现在存在于衬底7上。第一电极2只接触调节器6。

在图15N中，电介质层19被设置在图15M中的调节器6的外围周围并且与其接触，所述调节器6延伸到积分器5以外。第一电极2横向延伸至现在接触并且覆盖调节器6和电介质层19。

在图15O中，第一电极2只覆盖并且接触图15N中的调节器6。

图16和18-27涉及所述说明性装置的具体实施方案。

现在参考图16，显示并描述横向雪崩放大结构1，所述横向雪崩放大结构1包含透明电极105、p^--Si层110、SiO₂层107、p^--Si层100、n⁺-Si区102、p-Si区103、p⁺-Si层91(衬底)以及电极106。图17显示了横向雪崩放大结构1的功能组件。

除电极105，106以外，在图16中标识的组件可以由一种或多种半导体材料组成，所述半导体材料的一个实例是具有获得需要的电性能的掺杂类型和浓度的Si。SiO₂层107可以由其它相当的材料组成。

优选透明电极105和p^--Si层110的直径为几个μm以将其中的光吸收降至最低。透明电极105和p^--Si层110可以由具有比硅更宽的带隙的半导体组成，所述半导体的一个实例为未掺杂的ZnO。将n⁺-Si区102(积分器)制造成具有尽可能小的直径。电极106可以由实例包括Al、Ni、NiCr、Mo等的金属组成或者由实例包括ITO或Al掺杂的ZnO的透明导电材料组成。

这种实施方案的ON和OFF切换与图8A-8C中的装置几乎相同，不同之处在于阈值放大器10具有横向取向，并且不以线性方式设置阈值放大器10、计量器11、积分器12和调节器13。

优选p-Si区103具有比p^--Si层100更高的掺杂浓度。雪崩倍增只发生在p-Si区103中的结的边缘，并且图16B中的传输器9和阈值放大器10在平行p⁺-Si层91的横向上取向。因此，通过阈值放大器10有效地聚集在p^--Si层100的顶部产生的载流子。在功能性方案中的其它元件如前所述地工作。

优选p-Si区103具有典型为1μm的宽度以及典型为1Ω-cm的电阻率的掺杂水平，使得横向场分量离开该区域(在横向上充足-穿过)，并且沿着Si-SiO₂界面穿透p^--Si层100，从而聚集信号载流子并且将它们传输到p-Si区103(阈值放大器)中。在一些实施方案中，p-Si区103可以由与p^--Si层100中相同的掺杂组成；然而，优选n⁺-Si区102(积分器)是薄的，典型地小于0.4μm。通过边缘击穿效应提供横向的雪崩。在其它实施方案中，p-Si区103可以在不是充足-穿过(rich-though)的情况下使用，并且具有等于装置直径的直径，使其将SiO₂层107与p^--Si层100完全分开。

在此所述的横向装置提供下至近UV的短波长应用的高灵敏度以及上至700-800nm的较长波长的应用的高聚集效率。因此，这种装置的几何因子相当接近单位值，所述几何因子表示放大的光载流子除以产生的光载流子的总数。

现在参考图18，显示并且描述横向雪崩放大结构1，所述横向雪崩放大结构1包含一对透明电极105、Si₃N₄层93(绝缘体)、n^-InP层110、p⁺InP区102、n InP层100、n InGaAsP层140(缓冲器)、n InGaAs层150(吸收器)、n InP层160(外延的)以及n⁺InP层90(衬底，取向[100])。层具有与上述实施方案相反的掺杂类型和极性。

LiGaAsP的使用不影响装置的整个功能性方案(调节器-积分器-计量器-放大器)。需要的波长由吸收层带隙以及具有1.06-1.6μm的范围的宽度限定。组成放大器和衬底的宽带材料(InP)对于这种波长是透明的。将放大器与吸收器分开允许增加的量子效率，因为放大器和衬底都没有封闭吸收器与光隔开。绝缘体或Si₃N₄层93代替上述SiO₂层107，因为它提供与InGaAs-InP层匹配的更好性能。在吸收器和n InP层100之间的另外的缓冲器改善它们的异质势垒(heterobarrier)性能，特别是它们的频率响应。透明的电极105可以由ITO或Al掺杂的ZnO组成。可以从任何侧照射该装置，并通过本领域中熟悉的方法增加抗反射涂层。

p⁺InP区102以积分器的形式工作，使其与相邻的n InP层100的界面起计量器的作用。n-InP层110是调节器，该调节器负责延迟积分器放电(足以将阈值放大器关闭)以及通过从中除去累积电荷使阈值放大器返回初始状态。雪崩区或阈值放大器对应n InP层100。

通过本领域中熟悉的方法制得n InP层100、n InGaAsP层104和nInGaAs层150的宽度和掺杂浓度。场强度对于n InP层100内的雪崩倍增是足够的，并且足以导致场尾部，该场尾部在吸收器(absorber)内足够低以防止隧道效应以及雪崩电流。场尾部将产生的光载流子由吸收器聚集到放大器中，从而允许吸收器完全耗尽。吸收器宽度对于在需要的波长下的有效光吸收是足够的。在一些实施方案中，可以将吸收器制造成没有来自nInP层100的场穿透，而具有变化的带隙，所述带隙允许光载流子到达耗尽的n InP层100，同时避免在吸收器中的隧道电流。

现在参考图19，显示并且描述横向雪崩放大结构1，所述横向雪崩放大结构1具有沿着装置的一侧对齐的透明电极150和电极106。该装置是图16中的装置的一个备选实施方案，其中环电极106穿过SiO₂层107，并且附着到埋入p^--Si层100中的p⁺-Si区104。而且，如图19中所示，使用SiO₂层107代替图16中的电极106。电极106可以由金属或透明导电材料组成。P⁺-Si区104阻挡电子从电极106注入p^--Si层100中。p⁺-Si区104的掺杂深度小，典型为0.3μm。p⁺-Si区104的宽度被最小化，并且优选延伸至稍稍超出电极106的边缘。在n⁺-Si区102和p⁺-Si区104之间的距离应该是足够的，使来自p-Si区103的横向场分量变小，并且在p⁺-Si区104内不导致隧道电流。这种装置的功能如在上面对图16所述。

现在参考图20，显示并且描述具有三个电极的横向雪崩放大结构1。

该装置是图16中的装置的一个备选实施方案，其中环形电极117被设置在透明电极105周围，并且接触SiO₂层107。电极117由导电材料组成，透明导电材料的实例在上面提供。电极117允许额外地调节装置特性，包括但不限于谱灵敏度、对不同波长的响应时间，并且补偿保护性氧化物中的固定电荷。将DC电压以允许装置的最优化的方式施加到电极117上。保护性SiO₂层107应该足够厚，典型为0.7μm，以防止在p或p^-层100和p-Si层103内的雪崩过程，所述雪崩过程是由来自电极117的垂直电场分量导致的。这种装置的功能是如上面对图16所描述的。

现在参考图21，显示并且描述横向雪崩放大结构1，所述横向雪崩放大结构1具有沿着装置的一侧对齐的单电极。该装置是图16中的装置的一个备选实施方案，其中透明电极105完全覆盖SiO₂层107的顶部表面。这种实施方案主要优点在于耗尽了p^--Si层100的更大体积，从而改善光载流子的聚集以及装置的响应时间。保护性SiO₂层107应该足够厚，典型为0.7μm，以防止在p或p^--Si层100和p-Si层103内的雪崩过程，所述雪崩过程是由来自电极105的垂直电场分量导致的。这种装置的功能是如上面对图16所描述的。

现在参考图22，显示并且描述具有阻挡层的横向雪崩放大结构1。该装置是图16中的装置的一个备选实施方案，其中阻挡层是被设置在SiO₂层107和p或p^--Si层100之间的n-Si层120。n-Si层120优选是薄的，典型为0.3μm，具有与p或p^--Si层100的掺杂类型相反的掺杂类型。p或p^--Si层100形成在Si-SiO₂界面下的埋入通道以改善光载流子沿着界面的传输。通过本领域中熟悉的方法制造阻挡层。这种装置的一个优点包括提高的稳定性，原因是雪崩过程离开界面，从而抑制热载流子注入SiO₂中。图23显示了这种设计的一个备选实施方案，其中透明电极105完全覆盖p^--Si层110和SiO₂层107。图24显示了这种设计的一个备选实施方案，其中透明电极105单独接触p^-Si层110，并且第三电极117单独接触SiO₂层107。这些装置的功能是如上面对图16所描述的。

现在参考图25，显示并且描述横向雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1具有空穴积分器和沿着装置的一侧的单电极。该装置与图21中的装置不同在于，现在透明电极105填充p^--Si层110所占据的体积，并且将i-Si层113设置在p或p-Si层100和p⁺-Si层91(衬底)之间。p-Si层103比前述实施方案更宽。

现在参考图26，显示并且描述横向雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1具有阻挡层、空穴积分器和沿着装置一侧的两个电极。该装置与图24中的装置不同，其中现在透明电极105填充p^--Si层110(电子积分器)所占据的体积，p-Si层103更宽，并且将i-Si层113(空穴调节器)和p⁺-Si层130设置在p-Si层100和p⁺-Si层91之间。图27去除了图26中所示的电极117和n-Si层120。

单通道装置-可变计量器，标准偏压

各种材料适用于图28A-28B中的层和区域。例如，每一层可以由实例包括Si、SiC、GaN、GaAs和GaP的相同或不同半导体材料组成，所述半导体材料被掺杂以提供需要的电性能。在其它实施方案中，调节器6可以由带隙比其它层的带隙更宽的材料组成。在另外的其它实施方案中，信号传输层27可以由带隙比其它层的带隙更窄的材料组成。在另外的其它实施方案中，第一电极2和/或第二电极8可以由导电金属或透光并且导电的材料组成，其实例包括但不限于透明的ITO和Al掺杂的ZnO。而且，层和区域可以包含被设置为形成叠层结构的两个或更多个层，所述叠层结构具有或不具有内含物或者具有另外的其它非掺杂和掺杂的半导体材料的区域。层和装置可以包括平面和非平面的形状。同样，截面图可以显示平面的和/或径向的范围的结构。SiO₂层可以由其它相当的材料组成。

现在参考图28A，显示并且描述雪崩放大结构1，所述雪崩放大结构1具有正常的雪崩方向，基于MIS而具有漏极和两个电极，包含接触电介质层19的第三电极50、接触调节器6的第一电极2、雪崩区3、接触雪崩区3和调节器6的衬底以及接触衬底7的第二电极8。电介质层19接触雪崩区3和调节器6。雪崩区3接触调节器6的侧向外围。当在第一电极2和第二电极8之间施加电势时，将计量器4和积分器5设置在电介质层19和雪崩区3之间的界面，并且在雪崩区3中产生盖革(过击穿)雪崩模式，并且第三电极50具有施加的电压，在此电压下储存在积分器5上的电荷通过调节器6排放第一电极2。图28B显示了图28A的装置，其中将积分器5设置在电介质层19和雪崩区3之间的界面，并且将计量器4设置在雪崩区3和衬底7之间。

图29和31涉及该说明性装置的具体实施方案。

现在参考图29，显示并且描述具有正常的雪崩方向，基于MIS而具有漏极以及电极的放大结构1。该装置包含透明电极105、电极117、SiO₂层107、i-Si层110、p-Si层100、p^-Si层104(外延的)、p⁺-Si层120(衬底)以及电极106。尽管该装置以盖革模式工作，但是它不同于之前的上述实施例。

示例性电阻率为1Ω-cm的p-Si层100与SiO₂层107和电极105一起作为完全耗尽的MIS结构工作，原因是少数载流子将电流从p-Si层100沿着Si-SiO₂界面排放i-Si层110，然后到电极117。电极105的电压应该足够高以在p-Si层100中提供盖革模式的雪崩。被施加到电极117的电压应该足以将电流从p-Si层100排放i-Si层110，但是小于i-Si层110中的雪崩击穿所必需的。即使由于其更低的掺杂具有高于p-Si层100的电势，在p^--Si层104内也没有雪崩。在电极117和i-Si层110之间的接触优选是非注入的，因此包括阻挡电子注入的肖特基势垒。在一些实施方案中，可以将薄的n⁺层沿着i-Si层110的顶部设置以阻挡电子注入。透明电极105可以由具有高电导率的ITO或ZNO组成。电极106和107可以由金属或透明导电材料组成。在SiO₂层107中的氧化物厚度小，典型为0.1μm，以提供在p-Si层100内的有效雪崩。

现在参考图30A-30C，图30A显示了与图29的结构对应的材料层序列，并且图30B-30C描述了在放大器的各种工作状态过程中与图30A中所示的材料层结构对应的能带图。图30D以图解形式描述了在图29中所示的雪崩放大结构的功能组件。

在初始状态中，当将正电压施加到透明电极105上时，在p-Si层100内的电场强度对于碰撞电离是足够的。正常的工作电压将超过击穿电压，从而引发盖革模式。

在放大过程中，如图28C中通过自由载流子或电子62所示，雪崩倍增发生在p-Si层100内的Si-SiO₂界面附近。由于雪崩倍增，该过程是自维持的，其中具有电流密度的电流暗条(filament)随时间成指数增长。暗条电子累积在Si-SiO₂界面。这些电子的迁移率不高，因此它们是局部累积的，从而屏蔽在暗条区域内的电场，并且终止雪崩过程。Si-SiO₂界面以具有时间常数的HF积分器形式工作，所述时间常数由沿着界面传播的电子的迁移率限定。

如图30D中所示，在放大之后，最初的电子62产生校准的电荷包或第一包。这种包在界面的出现由氧化物电容产生，并且对应在电极105(HF读出器)处的电荷包，在所述电极105它可以被检测。

在电流暗条终止之后，得到的电荷沿着界面流动到LF积分器，并且将其中产生电流暗条的区域恢复到初始状态。界面导线以及HF调节器从HF积分器除去电荷，延迟足以将阈值放大器变为OFF。Si-SiO₂界面起计量器的作用，因为它受到p-Si层100内的场限定。

每一个电流暗条占据相当小的面积，典型地小于几平方微米。因此，几个暗条可能存在于p-Si层100内，同时产生几个电荷包。如此，如果p-Si层100与由暗条产生的电荷点相比足够大，则该装置以多通道光子计数器的形式工作。

现在参考图31，显示并且描述放大结构1，该放大结构1具有正常的雪崩方向，基于MIS而具有漏极和电极。在本实施方案中，与图29相比，将n⁺-Si层120直接设置在i-Si层110和p^--Si层104中间。

示例性电阻率为1Ω-cm的p-Si层100以及SiO₂层107以完全耗尽的MIS结构的形式工作，原因是少数载流子将电流从p-Si层100沿着Si-SiO₂界面排放到p⁺-Si层120。在p-Si层100中没有雪崩倍增的情况下，由于通过LF调节器(i-Si层110)的放电电流(空穴64和电子62)，可忽略充电到LF积分器(p⁺-Si层120)上的电流，并且LF积分器处于稳态。LF积分器的充电-放电机理与对图9所描述的相同。SiO₂层107的氧化物厚度小，典型为0.1μm，以提供p-Si层100内的有效雪崩。

现在参考图32A-32C，图32A显示了与图31的结构对应的材料层序列，并且图32B-32C描述了在放大器的各种工作状态过程中与图32A中所示的材料层结构对应的能带图。图32D以图解形式描述了在图31中所示的雪崩放大结构的功能组件。

在初始状态中，当将正电压施加到透明电极105上时，p-Si层100内的电场强度对于碰撞电离是足够的。正常的工作电压将超过击穿电压，从而引发盖革模式。

在放大过程中，如图32C中通过自由载流子或电子62所示，雪崩倍增发生在p-Si层100内的Si-SiO₂界面附近。由于雪崩倍增，该过程是自维持的，其中具有电流密度的电流暗条随时间成指数增长。暗条电子累积在Si-SiO₂界面。这些电子的迁移率不高，因此它们是局部累积的，从而屏蔽在暗条区域内的电场，并且终止雪崩过程。Si-SiO₂界面以具有时间常数的HF积分器形式工作，所述时间常数由沿着界面传播的电子的迁移率限定。

如图32D中所示，在放大之后，最初的电子产生校准的电荷包或第一包。这种包在界面的出现由氧化物电容产生，并且对应在电极105(HF读出器)的电荷包，在所述电极105它可以被检测。

在电流暗条终止之后，得到的电荷沿着界面流动到n⁺-Si层102(LF积分器)，并且将其中产生电流暗条的区域恢复到初始状态。界面导线以及HF调节器从HF积分器除去电荷，延迟足以将阈值放大器关闭。Si-SiO₂界面起计量器的作用，因为它受到p-Si层100内的场限定。

每一个电流暗条占据相当小的面积，典型地小于几平方微米。因此，几个暗条可能存在于p-Si层100内，同时产生几个第一电荷包。LF积分器的电容和放电电流应该是足够的，使得在聚集第一电荷包之后，LF积分器不改变其状态；然而，LF积分器的积分-弛豫时间将高于HF积分器的积分-弛豫时间。通过施加到电极117上的电压控制积分时间。可以在积分时间内聚集几个电荷包，并且在p-Si层100中降低场，原因是没有将电荷从其上除去。因此，还如图32D中所示，LF积分器累积由预定数量的第一包组成的第二电荷包。

如图32D中所示，几条放大通道可以同时存在于p-Si层100内，这取决于自由载流子的数量，每个自由载流子在其碰撞处引发倍增过程。在图32D中显示了三个这样的过程或虚拟的通道。每一个虚拟的通道具有相同的功能元件组，包括读出器9、阈值放大器10、计量器11、HF(高频)积分器12、HF调节器13以及HF读出器14。将在虚拟通道内的所有HF调节器连接到单个LF(低频)积分器21，所述LF积分器21在将第一包通过HF调节器13排出之后累积它们。形成第二校准包的分立放大器的功能性方案的这种第二级包含全部示于图32D中的LF积分器21、LF调节器22、LF读出器23。

非常明显的是所述的装置允许任何人在电极117上检测几个光子脉冲作为数字或校准信号，同时容易区别通过在相同的电极117上的热产生所导致的非信号脉冲。在电极117的LF积分时间的电压调节允许装置检测具有PET适用性的光的脉冲长度。而且，通过读取具有光子计数器适用性的在电极105的信号，可以以高的时间分辨率计算单光子作用。

多通道装置

可以将上述单通道雪崩放大装置集成为多种多通道装置，从而为如在USPN 6,885,827中所述的具有分立放大的光电检测器提供全部功能。下列实施例说明了示例性阵列，并且不意在以任何方式限制。因此，本发明包含所有的雪崩放大装置，其中在半导体叠层材料内的两层之间的界面单独或组合地起计量器、积分器或者计量器和积分器的作用，所述半导体叠层材料被设置在两个或更多个电极之间。

现在参考图33，显示并且描述具有横向的雪崩方向和空穴积分器的雪崩放大结构1。该装置包含第一电极2、接触层25、雪崩区3、信号传输层27、电介质层19、积分器5、调节器6、衬底7和第二电极8。

现在参考图34，显示了图33中的结构，所述结构被设置为形成由三个雪崩放大结构1组成的阵列。对本发明来说，阵列指以几何图案形式设置的两个或更多个雪崩放大结构1。优选将雪崩放大结构1的邻接对以小于0.5μm的间隙分开。在积分器5之间的间隙可以填充有还组成雪崩区的半导体材料、导电类型与积分器5相同的轻掺杂半导体材料、或电介质材料。优选雪崩放大结构1在几何形状和尺寸上是相同的。雪崩放大结构1可以包含各种规则和任意的形状，包括三角形、矩形、正方形、多边形和圆形。在一些实施方案中，可以将第三电极50增加到如上所述的结构中。第一电极2、第二电极8和第三电极50以及衬底7可以由独立的单个连续片组成，所述连续片上附着雪崩放大结构1内的其它层。第一电极、第二电极和第三电极可以由透明材料(transparent)组成。在其它实施方案中，可以将电介质层19、阻挡层24或导电区25加入结构中以提高如上所述的雪崩放大结构1的性能。

现在参考图35，显示并且描述在图34中的多通道装置的示意图，所述多通道装置包含图33中的单通道元件。该装置包含三个透明电极105、n⁺-Si区102、p-Si层103、p⁺区130、p-Si层100、i-Si层113、p⁺-Si层90以及电极106。在硅衬底上制造该装置，所述硅衬底具有电阻率为0.01Ω-cm的掺杂，取向[100]以及350μm的厚度。i-Si层113是未掺杂的外延硅，所述外延硅具有使得p⁺-Si区130和p⁺-Si层90之间的距离为2μm这样的宽度。p⁺-Si区130包含p⁺型掺杂的第一外延层，并且在尺寸上大小合适以使其是小的。第二外延层或p-Si层100具有使得n⁺-Si区102和p⁺-Si区130之间的距离为5μm这样的宽度。p-Si层100层是以7-10Ω-cm的电阻进行p-掺杂的。第三p-掺杂的外延层具有1Ω-cm的电阻以及2μm的宽度。通过使用n-型杂质的扩散制造n⁺-Si层102。将所述顶部表面氧化达0.5μm的厚度，然后沉积并且蚀刻(通过光刻)ITO以形成电极105。电极105具有2μm的直径，并且全部通过透明导体105相互连接以及与金属接触板连接。通过本领域中熟悉的方法制造金属电极106。

通道可以被填充以形成各种图案和形状。在通道之间的距离典型为10-14μm。该距离可以在8-30μm的范围内以使在需要的波长的量子效率、时间分辨率最优化，并且将通道相互作用或串扰(cross-talk)降至最低。在更大的距离的情况下实现更低的相互作用；然而，更大的距离降低量子效率。因此，最佳距离取决于装置的最终用途。

图36显示了多通道装置的一个示例性俯视图，其中将7个透明电极105设置在具有透明盖150的装置周围。从装置至接触板151的一对线152被显示为将信号连通到记录装置。图37显示了具有单个透明盖150的装置。

现在参考图38A-38E，显示并且描述几个另外的示例性多通道装置。

在图38A中，多通道装置由三个如上面图7A中提供的具有正常的雪崩方向的雪崩放大结构1组成。雪崩放大结构1包含以下述顺序设置的第一电极2、调节器6、积分器5、计量器4、雪崩区3、衬底7以及第二电极8。将各个积分器5和计量器4以不小于0.5μm的距离分开。在积分器5之间的空间包含电介质层19，所述电介质层19由组成雪崩区3的优选轻掺杂的半导体材料组成。积分器5和计量器4优选是相互等距离的，其距离不小于0.5μm。而且，可以将积分器5和计量器4成形为规则的多边形、正方形、六边形或圆形的形状。可以将第一电极2设置在多通道装置的整个工作区之上。第一电极可以是接触在所有单独的积分器5之上的调节器6的网状电极。

在图38B中，多通道装置由三个如图15D中提供的具有横向雪崩方向的雪崩放大结构1组成。雪崩放大结构1包含以下述顺序设置的第一电极2、调节器6、积分器5、衬底7和第二电极8。将积分器5沿着雪崩区3设置在孔洞内，使得两个元件之间的接触提供环形计量器4。第一电极2、第二电极8、积分器5和调节器6以不小于0.5μm的距离相互分开。在积分器5之间的空间包含电介质层19，所述电介质层19由组成雪崩区3的优选轻掺杂的半导体材料组成。积分器5和计量器4优选是相互等距离的，其距离不小于0.5μm。第一电极2可以包含覆盖结构的整个工作区的固体电极。同样，第一电极2可以由提供与在各个积分器5之上的调节器6的电接触的网状电极组成。可以将调节器6独占地设置在第一电极2的网状结构之下。积分器5彼此可以是等距离隔开的，其距离不小于0.5μm。可以将积分器5和计量器4成形为规则的多边形、正方形、六边形或圆形的形状。

在图38C中，多通道装置由三个如上面图15C中提供的具有横向雪崩方向的雪崩放大结构1组成。雪崩放大结构1包含以下述顺序设置的第一电极2、调节器6、积分器5、雪崩区3和衬底7。第二电极8是与衬底7相反地接触雪崩区3的环形结构。将计量器4垂直设置在积分器5和雪崩区3之间使得两个元件之间的接触区提供环形计量器4。第二电极8是网状型元件以避免其与调节器6和积分器5的电接触。雪崩区3和第二电极8被电介质层19覆盖使得在每一个雪崩放大结构1内电接触调节器6的第一电极2与第二电极8、雪崩区3和积分器5没有电接触。

在图38D中，多通道装置由三个具有横向雪崩方向的雪崩放大结构1组成。雪崩放大结构1包含以下述顺序设置的第一电极2、调节器6、积分器5、衬底7和第二电极8。将计量器4垂直设置在积分器5和雪崩区3之间，所述雪崩区3环绕积分器5使得两个元件之间的接触区提供环形计量器4。将电介质层19设置在第三电极50和雪崩区3之间。第二电介质层19也被设置在第三电极50之上，并且接触调节器6。电介质层19使第一电极2和第三电极50与组成结构的元件电绝缘。第三电极50不接触调节器6。积分器5和调节器6是以不小于0.5μm的距离相互等距离分开的。

在图38E中，多通道装置由三个如图1中提供的具有正常的雪崩方向的雪崩放大结构1组成。雪崩放大结构1包含以下述顺序设置的第一电极2、雪崩区3、被设置在雪崩区3和积分器5的界面之间的计量器4、积分器5、调节器6、衬底7和第二电极8。第一电极2、第二电极8、积分器5和调节器6以不小于0.5μm的距离相互分开。在积分器5之间的空间包含电介质层19，所述电介质层19由组成雪崩区3的优选轻掺杂的半导体材料组成。积分器5和计量器4优选是相互等距离的，其距离不小于0.5μm。第一电极2可以包含覆盖结构的整个工作区的固体电极。同样，第一电极2可以由网状电极组成，所述网状电极提供与各个积分器5之上的调节器6的电接触。可以将调节器6独占地设置在第一电极2的网状结构之下。积分器5彼此可以是等距离隔开的，其距离不小于0.5μm。可以将积分器5和计量器4成形为规则的多边形、正方形、六边形或圆形的形状。

上述描述表明对于本发明有很大程度的灵活性。尽管参考其某些优选方案相当详细地描述了本发明，但是其它方案是可以的。因此，后附权利要求书的精神和范围应该不限于在此包含的优选方案的描述。

工业应用

如从上述说明明显看出，所述的发明包括根据在此所述的原理工作的各种智能放大雪崩结构。该装置适于作为能够记录并且计算单独的电子和光子的独立的高度灵敏的仪器。该装置也可按形成阵列的构造来应用。

因此，预期所述的发明将用于光电检测器、电子放大器、化学和生物传感器以及具有芯片上的实验室的应用的化学和生物芯片中。这些结构对于国防关键性装置直接具有适用性。

Claims (165)

1.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)具有与所述衬底相反的导电性的雪崩区；

(ii)积分器层，所述积分器层累积信号电荷，由具有与所述衬底相同的导电性的重掺杂材料组成，所述积分器层沿着起计量器的作用的界面接触所述雪崩区以调整雪崩过程；和

(iii)调节器层，所述调节器层排空所述积分器，并且控制所述计量器，所述调节器层与所述雪崩区相对地接触所述积分器层，所述调节器层接触所述衬底；

(c)第一电极，所述第一电极与所述积分器相对地连通到所述雪崩区；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述调节器层相对地连通到所述衬底。

2.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

3.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述衬底的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

4.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述调节器在垂直调节器层的方向上具有高阻抗。

5.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由低掺杂材料组成。

6.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层由相同的半导体材料组成。

7.权利要求1所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区和所述积分器层由相同的半导体材料组成，并且所述调节器层由带隙比所述雪崩区、所述积分器层和所述衬底的带隙更宽的材料组成。

8.权利要求1所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)绝缘体，所述绝缘体具有允许所述第一电极接触所述雪崩区的至少一个开口。

9.权利要求8所述的雪崩放大结构，还包含：

(f)重掺杂区，所述重掺杂区具有与所述雪崩区相同的导电性，被设置在每个所述开口处所述雪崩区和所述绝缘体之间的所述雪崩区内，以防止在所述雪崩区和所述第一电极之间的直接电接触。

10.权利要求9所述的雪崩放大结构，还包含：

(g)第二调节器，所述第二调节器由在所述第一电极和所述重掺杂区之间的高阻抗半导体材料组成，并且存在于所述开口内；第二积分器，所述第二积分器形成在所述雪崩区和所述第二调节器之间的界面处。

11.权利要求9所述的雪崩放大结构，还包含：

(g)埋层，所述埋层由具有与所述衬底相同的导电性的半导体材料组成，并且邻近所述重掺杂区。

12.权利要求9所述的雪崩放大结构，还包含：

(g)在横向上具有较低空穴迁移率的半导体层，所述半导体层由具有与所述衬底相反的导电性的掺杂材料组成，并且是沿着邻近所述重掺杂区的所述雪崩区设置的。

13.权利要求1所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)信号传输层，所述信号传输层由导电性与所述雪崩区的导电性类似的低掺杂半导体材料组成，并且被设置在所述第一电极和所述雪崩区之间，并且与它们接触，所述信号传输层产生多个自由电荷载流子，并且将所述自由电荷载流子传输到所述雪崩区中。

14.权利要求13所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述传输层由相同的半导体材料组成。

15.权利要求13所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述传输层由Si组成。

16.权利要求13所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述传输层由SiC、GaN、GaAs或GaP组成。

17.权利要求13所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层由相同的半导体材料组成，并且所述信号传输层由带隙比所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层的带隙更窄的材料组成。

18.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)调节器层；以及

(ii)导电性与所述衬底的导电性相反的雪崩区，所述雪崩区沿着起积分器的作用的第一界面接触所述调节器层，所述雪崩区沿着起计量器的作用以调整雪崩过程的第二界面与所述调节器层相对地接触所述衬底，所述积分器累积信号电荷，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器；

(c)第一电极，所述第一电极与所述雪崩区相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述衬底相对地连通到所述衬底。

19.权利要求18所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

20.权利要求18所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述衬底的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

21.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)接触所述衬底的雪崩区；

(ii)累积信号电荷的积分器层，所述积分器层由导电性与所述衬底的导电性相反的重掺杂材料组成，所述积分器层沿着起计量器的作用的界面与所述衬底相对地接触所述雪崩区以调整雪崩过程；以及

(iii)调节器层，所述调节器层排空所述积分器层并且控制所述计量器，所述调节器层与所述雪崩区相对地接触所述积分器层；

(c)第一电极，所述第一电极与所述积分器层相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述雪崩区相对地连通到所述衬底。

22.权利要求21所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

23.权利要求21所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

24.权利要求21所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)绝缘体层，所述绝缘体层被设置在所述积分器的一部分上，所述调节器被设置在所述积分器的一部分上。

25.权利要求24所述的雪崩放大结构，还包含：

(f)保护环，所述保护环在所述雪崩区内，并且接触所述绝缘体层，所述保护环由具有与所述积分器相同的导电类型的低掺杂材料组成，所述保护环电接触所述积分器的外围。

26.权利要求24所述的雪崩放大结构，还包含：

(f)半导体材料，所述半导体材料具有低掺杂并且具有与所述雪崩区相同的导电类型，在一侧上位于所述雪崩区和所述积分器之间，在另一侧上位于所述雪崩区和所述衬底之间，使得所述调节器只电接触所述积分器，所述雪崩区邻近所述积分器层以避免与沿着所述积分器的边缘接触。

27.权利要求21所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层由相同的半导体材料组成。

28.权利要求21所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区和所述积分器层由相同的半导体材料组成，并且所述调节器层由带隙比所述雪崩区、所述积分器层和所述衬底的带隙更宽的材料组成。

29.权利要求21所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)信号传输层，所述信号传输层由导电性与所述雪崩区的导电性类似的低掺杂半导体材料组成，并且被设置在所述第二电极和所述雪崩区之间，并且与它们接触，所述信号传输层产生多个自由电荷载流子，并且将所述自由电荷载流子传输到所述雪崩区中。

30.权利要求29所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述信号传输层由相同的半导体材料组成。

31.权利要求29所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述传输层由Si组成。

32.权利要求29所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述传输层由SiC、GaN、GaAs或GaP组成。

33.权利要求29所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层由相同的半导体材料组成，并且所述信号传输层由带隙比所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层和所述调节器层的带隙更窄的材料组成。

34.权利要求29所述的雪崩放大结构，其中所述积分器层具有平行所述衬底的平面的有限的电导。

35.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)接触所述衬底的调节器；

(ii)积分器，所述积分器由具有与所述衬底相同类型的导电性的重掺杂的半导体材料组成，所述积分器累积信号电荷，所述积分器接触所述调节器以从所述积分器排出所述电荷；

(iii)雪崩区，所述雪崩区由具有与所述衬底相同类型的导电性的材料组成，所述雪崩区接触所述积分器；以及

(iv)计量器，所述计量器由重掺杂的半导体类型组成，并且其导电性与所述衬底相反，所述计量器接触所述雪崩区，所述计量器调整雪崩过程，所述调节器排空所述积分器，并且控制所述计量器；

(c)与所述计量器连通的第一电极；以及

(d)与所述衬底连通的第二电极。

36.权利要求35所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

37.权利要求35所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述衬底的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

38.权利要求35所述的雪崩放大结构，所述雪崩放大结构还包含：

(e)绝缘体层，所述绝缘体层具有用于在所述第一电极和所述计量器之间的电接触的至少一个开口。

39.权利要求38所述的雪崩放大结构，还包含：

(f)保护环，所述保护环在所述雪崩区内，并且接触所述绝缘体层，所述保护环由具有与所述计量器相同类型的导电性的低掺杂材料组成，所述保护环接触所述计量器的外围。

40.权利要求38所述的雪崩放大结构，还包含：

(f)半导体层，所述半导体层由具有与所述雪崩区相同的导电性的低掺杂材料组成，并且被设置在一侧位于所述雪崩区和计量器之间另一侧位于所述雪崩区和所述积分器之间。

41.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底，其具有与所述衬底相同类型的导电性；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)调节器；

(ii)积分器，所述积分器由具有与所述衬底相同类型的导电性的重掺杂半导体材料组成，所述积分器累积信号电荷，所述积分器接触所述调节器以从所述积分器排出所述电荷，并且控制所述计量器；

(iii)雪崩区，所述雪崩区由具有与所述衬底相同类型的导电性的材料组成，所述雪崩区接触所述积分器；以及

(iv)计量器，所述计量器由重掺杂的半导体类型组成，并且导电性与所述衬底相反，所述计量器被设置在所述雪崩区内，所述计量器调整雪崩过程；

(c)与所述计量器连通的第一电极；以及

(d)与所述衬底连通的第二电极。

42.权利要求41所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

43.权利要求41所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述衬底的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

44.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)重掺杂衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)接触所述衬底的雪崩区；以及

(ii)调节器层，所述调节器层沿着界面与所述衬底相对地接触所述雪崩区，所述界面起计量器的作用以调整雪崩过程，并且起积分器的作用以累积信号电荷，所述雪崩区和所述调节器层排空所述积分器，并且控制所述计量器；

(c)第一电极，所述第一电极与所述雪崩区相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述雪崩区相对地连通到所述衬底。

45.权利要求44所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

46.权利要求44所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

47.权利要求44所述的雪崩放大结构，其中所述界面具有平行所述衬底的平面的有限的电导。

48.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)雪崩区；

(ii)累积信号电荷的积分器层，所述积分器层存在于所述雪崩区中的孔腔内，并且沿着起调整雪崩过程的计量器的作用的环形界面接触所述雪崩区，所述雪崩区和所述积分器层接触所述衬底；以及

(iii)调节器层，所述调节器层排空所述积分器并且控制所述计量器，所述调节器层与所述衬底相对地接触所述积分器层；

(c)第一电极，所述第一电极与所述积分器层相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述雪崩区和所述积分器层相对地连通到所述衬底。

49.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

50.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

51.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述衬底是掺杂的半导体材料。

52.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述衬底和所述雪崩区由相同的半导体材料组成。

53.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述衬底和所述雪崩区由具有相同类型的导电性的半导体材料组成，所述衬底是比所述雪崩区更少地掺杂的。

54.权利要求53所述的雪崩放大结构，其中所述雪崩区通过所述第二电极起作用。

55.权利要求53所述的雪崩放大结构，其中所述雪崩区通过所述第一电极起作用。

56.权利要求48所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)电介质层，所述电介质层被设置在所述调节器层的外围并且与其接触，所述电介质层接触所述积分器层和所述雪崩区。

57.权利要求56所述的雪崩放大结构，其中所述第一电极还接触所述电介质层。

58.权利要求56所述的雪崩放大结构，其中所述第一电极独立地接触所述调节器层和所述电介质层。

59.权利要求56所述的雪崩放大结构，其中所述调节器层还与所述积分器层和所述雪崩区相对地接触所述电介质层，所述第一电极还与所述电介质层相对地接触所述调节器层。

60.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述调节器层和所述雪崩区由相同的半导体材料组成，所述调节器层比所述雪崩区掺杂更少。

61.权利要求48所述的雪崩放大结构，其中所述调节器层由具有比所述雪崩区更宽的带隙的半导体材料组成。

62.权利要求48所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)信号传输层，所述信号传输层由与所述雪崩区相同类型的导电性的半导体材料组成，并且比所述雪崩区掺杂更少，所述信号传输层对信号响应而产生多个自由电荷载流子，并且将所述自由电荷载流子传输到所述雪崩区中，所述衬底和所述第二电极延伸到所述雪崩区以外，所述信号传输层接触所述雪崩区的外围以及与所述第二电极相对地接触所述衬底。

63.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述信号传输层和所述雪崩区由相同的半导体材料组成。

64.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述信号传输层和所述衬底由导电类型和掺杂浓度相同的相同半导体材料组成。

65.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述信号传输层由相同的半导体材料组成。

66.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述信号传输层由Si组成。

67.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述信号传输层由SiC、GaN、GaAs或GaP组成。

68.权利要求62所述的雪崩放大结构，其中所述信号传输层由具有比所述雪崩区更窄的带隙的半导体材料组成。

69.权利要求48所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)接触区，所述接触区导电，并且被设置在所述调节器层和所述积分器层之间；

(f)阻挡层，所述阻挡层由具有与所述雪崩区相同类型的导电性的半导体材料组成，所述阻挡层接触所述接触区的外围，所述阻挡层与所述衬底相对地接触所述雪崩区和所述积分器层。

70.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述阻挡层由相同的半导体材料组成。

71.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述阻挡层由Si组成。

72.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述衬底、所述雪崩区、所述积分器层、所述调节器层和所述阻挡层由SiC、GaN、GaAs或GaP组成。

73.权利要求69所述的雪崩放大结构，还包含：

(g)电介质层，所述电介质层被设置在所述调节器层的外围并且与其接触，所述电介质层接触所述阻挡层。

74.权利要求73所述的雪崩放大结构，其中所述第一电极还覆盖并且接触所述电介质层。

75.权利要求73所述的雪崩放大结构，所述雪崩放大结构还包含：

(h)接触所述电介质层的第三电极。

76.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述阻挡层和所述雪崩区由导电类型相同的半导体材料组成，所述阻挡层和所述雪崩区具有相同的掺杂浓度。

77.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述阻挡层和所述雪崩区由导电类型相同的半导体材料组成，所述阻挡层具有比所述雪崩区更低的掺杂浓度。

78.权利要求69所述的雪崩放大结构，其中所述阻挡层和所述雪崩区由导电类型相反的半导体材料组成，所述阻挡层具有比所述雪崩区更低的掺杂浓度。

79.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)雪崩区；

(ii)累积信号电荷的积分器层，所述积分器层存在于所述雪崩区中的孔腔内，并且沿着起调整雪崩过程的计量器的作用的环形界面接触所述雪崩区，所述雪崩区和所述积分器层接触所述衬底；以及

(iii)调节器层，所述调节器层排空所述积分器并且控制所述计量器，所述调节器层与所述衬底相对地接触所述积分器层；

(c)第一电极，所述第一电极与所述积分器层相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述衬底相对地连通到所述雪崩区。

80.权利要求79所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

81.权利要求79所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

82.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)雪崩区，其具有与所述衬底相同的导电性以及高掺杂；

(ii)积分器层，所述积分器层存在于所述雪崩区中的孔腔内，并且沿着起调整雪崩过程的计量器的作用的环形界面接触所述雪崩区，所述积分器累积信号电荷；以及

(iii)调节器层，所述调节器层存在于所述所述积分器层中的孔腔内，并且沿着环形界面接触所述积分器层，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器；

(c)第一电极，所述第一电极与所述衬底相对地连通到所述调节器层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述雪崩区、所述积分器层和也接触所述衬底的所述调节器层相对地连通到所述衬底。

83.权利要求82所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料成。

84.权利要求82所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

85.权利要求82所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)电介质层，所述电介质层被设置在所述调节器层的外围上面并且与其接触，所述调节器层在所述积分器层的周围延伸，所述电介质层还与所述衬底相对地接触所述积分器层和所述雪崩层，所述第一电极也接触并且覆盖所述电介质层。

86.权利要求82所述的雪崩放大结构，还包含：

(e)阻挡层，所述阻挡层被设置在所述调节器层的外围上面并且与其接触，所述调节器层在所述积分器层周围延伸，所述阻挡层还与所述衬底相对地接触所述积分器层和所述雪崩层，所述阻挡层由具有与所述雪崩区相同类型的导电性以及低掺杂的半导体材料组成。

87.一种以盖革模式工作的雪崩放大结构，其包含：

(a)衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)雪崩区；以及

(ii)调节器层，所述调节器层存在于所述雪崩区中的孔腔内，并且沿着环形界面接触所述雪崩区，所述雪崩区和所述调节器接触所述衬底；

(c)电介质层，所述电介质层与所述衬底相对地接触所述雪崩区和所述调节器层，在所述雪崩区和所述电介质层之间的界面起着计量器和积分器的作用，所述积分器累积信号电荷，所述计量器调整雪崩过程，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器；

(d)第一电极，所述第一电极存在于所述电介质层内的孔腔中，并且与所述衬底相对地连通到所述调节器层；

(e)第二电极，所述第二电极与所述雪崩区和所述调节器层相对地连通到所述衬底，并且在充电时，所述第一电极和所述第二电极在所述雪崩区内产生盖革雪崩模式；以及

(f)第三电极，所述第三电极与所述雪崩区相对地连通到所述电介质层，当将所述第三电极充电时，所述第三电极通过所述调节器层向所述第一电极排空所述积分器。

88.权利要求87所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

89.权利要求87所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述第一电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

90.权利要求87所述的雪崩放大结构，其中所述衬底是重掺杂的半导体，所述计量器被设置在所述衬底和所述雪崩区之间，所述雪崩区由具有与所述衬底相反的导电类型的半导体组成，所述积分器被设置在所述雪崩区和所述电介质层之间。

91.一种以盖革模式工作的放大雪崩结构，其包含：

(a)三个电极；

(b)雪崩区，所述雪崩区由具有与所述衬底相同类型的导电性的材料组成；

(c)积分器，所述积分器累积信号电荷；

(d)计量器，用于调节雪崩过程；

(e)调节器，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器，所述雪崩区、所述积分器、所述计量器和所述调节器构成设置在重掺杂衬底上的叠层的半导体结构，一个所述电极与所述叠层的半导体结构相对地接触所述衬底；

(f)导电类型与所述衬底相同的低掺杂半导体材料的中间层，所述中间层接触所述雪崩区和第二所述电极；以及

(g)接触所述雪崩区和第三所述电极的电介质层，所述积分器和所述计量器功能是沿着所述雪崩区和所述电介质层之间的界面执行的，在第一和第三所述电极之间的电势导致在所述雪崩区内的盖革雪崩模式，在将电压施加到上面时，第二所述电极排出所述积分器内的电荷。

92.权利要求91所述的雪崩放大结构，其中所述调节器由高阻抗材料组成。

93.权利要求91所述的雪崩放大结构，其中所述调节器具有：累积在所述积分器层上的多个第一种载流子从所述积分器的方向传输到所述调节器层中的第一能垒；以及导电类型与所述第一种载流子相反的多个第二种载流子从所述电极的方向传输到所述调节器中的第二能垒。

94.权利要求91所述的雪崩放大结构，还包含：

(h)接触区，所述接触区由在所述中间层和第二所述电极之间的具有与所述衬底相反的导电性的重掺杂材料组成。

95.权利要求91所述的雪崩放大结构，所述雪崩放大结构还包含：

(h)第二调节器，所述第二调节器由高电导半导体材料组成，被设置在所述中间层和第二所述电极之间。

96.一种雪崩放大结构，其包含：

(a)由掺杂InP组成的衬底；

(b)叠层的半导体结构，其包含：

(i)绝缘体层；以及

(ii)调节器，所述调节器由掺杂InP组成，接触所述绝缘体层；

(iii)积分器，所述积分器由掺杂InP组成，接触所述调节器，所述积分器累积信号电荷；

(iv)计量器层，所述计量器层由掺杂InP组成，接触所述积分器，所述计量器调整雪崩过程，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器；

(v)缓冲器，所述缓冲器由掺杂InGaAsP组成，接触所述计量器；

(vi)由掺杂InGaAs组成的吸收器；以及

(vii)由InP组成的外延层，所述衬底接触所述外延层；

(c)第一电极，所述第一电极与所述调节器相对地连通到所述绝缘体层；以及

(d)第二电极，所述第二电极与所述外延层相对地连通到所述衬底

97.权利要求96所述的雪崩放大结构，其中所述衬底具有[100]的取向。

98.权利要求96所述的雪崩放大结构，其中所述绝缘体是Si₃N₄。

99.一种多通道结构，所述多通道结构包含独立设置并且设置成阵列的至少两个雪崩放大结构，所述雪崩放大结构的每一个具有设置在雪崩区层、积分器层、调节器层和衬底层周围的至少两个电极，所述层中的两个沿着起计量器的作用的第一界面接触，所述计量器调整雪崩过程，所述积分器累积信号电荷，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器。

100.权利要求99所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构的相邻对以不小于0.5μm的间距分开。

101.权利要求99所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有半导体材料，所述半导体材料还组成所述雪崩区。

102.权利要求99所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有导电类型与所述积分器相同的轻掺杂半导体材料。

103.权利要求99所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有电介质材料，所述电介质材料还将所述积分器与所述调节器分开。

104.权利要求99所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构在几何形状和尺寸上是相同的。

105.权利要求99所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构是三角形、矩形、正方形、多边形或圆形。

106.权利要求99所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第一电极。

107.权利要求106所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

108.权利要求99所述的多通道结构，所述多通道结构还包含在每个所述雪崩放大结构内的电介质层。

109.权利要求99所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述衬底层。

110.权利要求99所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第二电极。

111.权利要求110所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

112.权利要求99所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的第三电极。

113.权利要求99所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第三电极。

114.权利要求113所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

115.权利要求99所述的多通道结构，其中所述第一电极是透明的。

116.权利要求99所述的多通道结构，其中所述第二电极是透明的。

117.权利要求99所述的多通道结构，其中所述第三电极是透明的。

118.权利要求99所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的阻挡层。

119.权利要求99所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的信号传输层。

120.权利要求99所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的接触区。

121.一种多通道结构，所述多通道结构包含独立设置并且设置成阵列的至少两个雪崩放大结构，所述雪崩放大结构的每一个具有设置在雪崩区层、调节器层、电介质层和衬底周围的至少两个电极，所述层中的两个沿着起计量器的作用的第一界面接触，所述层中的两个沿着起积分器的作用的第二界面接触，所述计量器调整雪崩过程，所述积分器累积信号电荷，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器。

122.权利要求121所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构的相邻对以不小于0.5μm的间距分开。

123.权利要求121所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有半导体材料，所述半导体材料还组成所述雪崩区。

124.权利要求121所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有导电类型与所述积分器相同的轻掺杂半导体材料。

125.权利要求121所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有电介质材料，所述电介质材料还将所述积分器与所述调节器分开。

126.权利要求121所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构在几何形状和尺寸上是相同的。

127.权利要求121所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构是三角形、矩形、正方形、多边形或圆形。

128.权利要求121所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第一电极。

129.权利要求128所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

130.权利要求121所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的电介质层。

131.权利要求121所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述衬底层。

132.权利要求121所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第二电极。

133.权利要求132所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

134.权利要求121所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的第三电极。

135.权利要求121所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第三电极。

136.权利要求135所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

137.权利要求121所述的多通道结构，其中所述第一电极是透明的。

138.权利要求121所述的多通道结构，其中所述第二电极是透明的。

139.权利要求121所述的多通道结构，其中所述第三电极是透明的。

140.权利要求121所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的阻挡层。

141.权利要求121所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的信号传输层。

142.权利要求121所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的接触区。

143.一种多通道结构，所述多通道结构包含独立设置并且设置成阵列的至少两个雪崩放大结构，所述雪崩放大结构的每一个具有设置在雪崩区层、调节器层、电介质层和衬底周围的至少两个电极，所述层中的两个沿着起计量器和积分器的作用的界面接触，所述计量器调整雪崩过程，所述积分器累积信号电荷，所述调节器排空所述积分器并且控制所述计量器。

144.权利要求143所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构的相邻对以不小于0.5μm的间距分开。

145.权利要求143所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有半导体材料，所述半导体材料还组成所述雪崩区。

146.权利要求143所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有导电类型与所述积分器相同的轻掺杂半导体材料。

147.权利要求143所述的多通道结构，其中在所述积分器之间的所述间隙填充有电介质材料，所述电介质材料还将所述积分器与所述调节器分开。

148.权利要求143所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构在几何形状和尺寸上是相同的。

149.权利要求143所述的多通道结构，其中所述雪崩放大结构是三角形、矩形、正方形、多边形或圆形。

150.权利要求143所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第一电极。

151.权利要求143所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

152.权利要求143所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的电介质层。

153.权利要求143所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述衬底层。

154.权利要求143所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第二电极。

155.权利要求143所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

156.权利要求143所述的多通道结构，所述多通道结构还包含在每个所述雪崩放大结构内的第三电极。

157.权利要求143所述的多通道结构，其中通过单个连续元件提供所述第三电极。

158.权利要求157所述的多通道结构，其中所述单个连续元件是透明的。

159.权利要求143所述的多通道结构，其中所述第一电极是透明的。

160.权利要求143所述的多通道结构，其中所述第二电极是透明的。

161.权利要求143所述的多通道结构，其中所述第三电极是透明的。

162.权利要求143所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的阻挡层。

163.权利要求143所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的信号传输层。

164.权利要求143所述的多通道结构，还包含在每个所述雪崩放大结构内的接触区。

165.权利要求143所述的多通道结构，其中所述多通道结构适用于在反恐怖主义应用中的改善的侦查用的夜视装置。

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