CN102184929B - 紫外光雪崩管成像阵列像元、其应用方法及雪崩管成像阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及紫外光雪崩管成像阵列像元、其应用方法及由其组成的雪崩管成像阵列。所述紫外光雪崩管成像阵列像元由多个雪崩管探测器并联而成，所述雪崩管探测器由光电二极管、薄膜电阻、金属层顺序连接而成，每个雪崩管探测器中，光电二极管的n型半导体与接触电极连接，成像像元中各个雪崩管探测器的接触电极之间形成电连接作为一个电极，各个雪崩管探测器共用一块完整的金属层，金属层形成紫外光雪崩管成像阵列像元的另一个电极。所述所述雪崩管成像阵列，由多个所述的紫外光雪崩管成像阵列像元组成。本发明的有效效果为：克服了材料本身缺陷密度大而造成的良率过低的问题，该新型结构紫外光雪崩管成像阵列像元良率可以接近并达到100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光雪崩管成像阵列像元、其应用方法及雪崩管成像阵列。
背景技术
紫外光特别是日盲紫外波段的探测在空间探测以及军事方面有着极其重要的应用。目前，紫外波段的光子计数系统应用的是光电倍增管(PMT)，但是光电倍增管体积大、易碎、工作电压高且价格昂贵，所以体积小、价格便宜的固态紫外探测器就有非常重要的优势。
近年来随着GaN和AlGaN材料工艺的进步，在实验室中也出现了GaN基和AlGaN基材料的紫外光雪崩管和单光子探测雪崩管(SPAD)的报道。但是由于GaN以及AlGaN材料本身晶格错位的原因，材料中缺陷密度非常大(目前报道的GaN及AlGaN材料的位错密度为107cm-2至1010cm-2)，特别是AlGaN材料中随着Al组分含量的增大(Al含量越大，AlGaN禁带宽度越大，探测截止波长越短)，缺陷密度也在越大。所以GaN基和AlGaN基雪崩管和单光子探测雪崩管非常难制造，如果AlGaN材料的缺陷密度为108cm-2，那么根据良率公式
【WAY KUO，FELLOW，IEEE，AND TAEHO KIM，PROCEEDINGS OF THE IEEE，VOL.87，NO.8，AUGUST 1999】，(其中A为器件面积，D为缺陷密度。)AlGaN雪崩管的良率极低，且雪崩管面积越大，良率越低。图1为计算得到的AlGaN雪崩管的良率与器件面积的关系图，可以看出，若雪崩管面积为10×10μm2，其良率不到1％，假设要制造一个1K×1K大小的紫外光雪崩管成像阵列，其中品质好的像元个数只有10K，其余990K个像元都是坏的，这样的成像阵列根本不能工作，所以以目前这样的良率，很难用传统的雪崩管结构实现紫外光雪崩管成像阵列。
如图2A所示，APD 100是一个典型的硅基金属-电阻-半导体(MRS)【V.Saveliev，V.Golovin，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 442(2000)：223-229】结构雪崩管探测器，它的基本结构是由光电二极管101、薄膜电阻102和金属电极103构成，薄膜电阻102和光电二极管101的p型半导体端形成电接触，然后金属层103淀积在薄膜电阻102上和薄膜电阻102接触，其等效电路如图2B。工作时，在MRS结构雪崩管APD 100上加负电压Vbias，当无光时，这时光电二极管101处于负偏压状态，二极管101等效于一个电容，负电压Vbias主要分配在光电二极管101上；若有光子到达二极管101，光子被吸收产生电子空穴对，电子和空穴在倍增区域产生更多的电子和空穴，光电二极管101发生雪崩，从而光信号转化为电信号并且被放大，该过程也可以看是成电容的放电过程，这时负偏压Vbias就有一部分电压分配到薄膜电阻102上，从而光电二极管101上作用的电压降低，雪崩被熄灭，故薄膜电阻102有着负反馈的作用。一旦光电二极管101上的电压降低，雪崩过程被熄灭，这时二极管101重新充电，电压增加，从而能够探测下一个光信号。
前面提到由于GaN和AlGaN材料本身晶格错位的原因，缺陷密度很大，GaN和AlGaN雪崩管很难制造，良率极低，其紫外光雪崩管成像阵列无法实现。
发明内容
本发明提供一种紫外光雪崩管成像阵列像元，可以有效克服半导体材料本身的缺陷，提高良率。
本发明还提供所述紫外光雪崩管成像阵列像元的应用方法及由其组成的雪崩管成像阵列。
所述紫外光雪崩管成像阵列像元由多个雪崩管探测器并联而成，所述雪崩管探测器由光电二极管、薄膜电阻、金属层顺序连接而成，每个雪崩管探测器中，光电二极管的n型半导体与接触电极连接，成像像元中各个雪崩管探测器的接触电极之间形成电连接作为一个电极，各个雪崩管探测器共用一块完整的金属层，金属层形成紫外光雪崩管成像阵列像元的另一个电极。
更优选的是，所述紫外光雪崩管成像阵列像元由下至上依次包括独立的多个光电二极管、绝缘钝化层、与多个光电二极管一一对应的独立的多个薄膜电阻、绝缘介质层和金属层，钝化层中设有多个第一接触孔，使每个光电二极管的p型半导体端与相应的薄膜电阻通过第一接触孔形成电接触，绝缘介质层中设有多个第二接触孔，使每个薄膜电阻与金属层通过第二接触孔形成电接触。
作为公知常识，钝化层、介质层均为电绝缘层。
优选所述紫外光雪崩管成像阵列像元的制备方法包括如下步骤：
(1)在衬底上依次形成n型半导体以及p型半导体；
(2)刻蚀p型半导体，形成多个独立的光电二极管结构，并于刻蚀后的区域内在n型半导体上形成多个与光电二极管一一对应的接触电极；
(3)淀积钝化层并在光电二极管上方刻蚀形成第一接触孔；
(4)淀积并刻蚀形成薄膜电阻，薄膜电阻通过第一接触孔与相应的光电二极管单元形成电接触；
(5)淀积介质层并在所有的薄膜电阻上方刻蚀形成第二接触孔；
(6)淀积金属层并通过第二接触孔与所有的薄膜电阻形成电接触。
如图3B所示，所述紫外光雪崩管成像阵列像元的基本单元(以下简称UV-APD 200)由下而上可以为衬底201，n型半导体202，n型接触电极203，p型半导体204，n型和p型半导体采用MOCVD的方法外延生成；然后刻蚀p型半导体，再形成n行接触电极203；淀积钝化层205，形成接触孔206，并且淀积形成薄膜电阻207使薄膜电阻207和p型半导体形成电接触；最后淀积介质层208和形成接触孔209，金属层210和薄膜电阻207形成电接触，211是接触电极。其中衬底201是透明或半透明的材料，金属层210可以是透明或半透明的材料。
所述紫外光雪崩管成像阵列像元(以下简称UV-APD 300)可以由多个UV-APD 200并联形成，如图3A所示，UV-APD 200-1，200-2，200-3是三个UV-APD 200，它们通过金属层210和共同的接触电极203-1，203-2并联在一起，其基本的工艺过程如图3C所示：
步骤212，在衬底201上形成n型半导体202以及p型半导204，可以用MOCVD的方式外延生长半导体材料；
步骤213，刻蚀p型半导体，在n型半导体上形成接触电极203-1和203-2，接触电极可以通过金属线连接在一起作为一个接触电极；
步骤214，淀积钝化层205并刻蚀形成接触孔206；
步骤215，淀积并刻蚀形成薄膜电阻207-1，207-2和207-3；
步骤216，淀积介质层208并形成接触孔209；
步骤217，淀积金属层210并与薄膜电阻形成电接触，金属层210构成另一个电极301。
UV-APD 300的等效电路图如图3D所示，UV-APD 300是由多个UV-APD 200并联形成，所有的UV-APD 200的阴极通过金属层210连接在一起构成一个电极，接触电极203连接在一起构成另一个电极。这样构成的UV-APD 300实际上是由多个UV-APD 200单元并联构成。在前面提到由于GaN和AlGaN材料本身缺陷密度很大，故GaN和AlGaN基雪崩管的良率Y很低，如果UV-APD 300由合适个数的UV-APD 200并联构成，则UV-APD 300中总有一定个数品质好的UV-APD 200，这样UV-APD 300总能对光信号进行探测，故这种结构的紫外光雪崩管成像阵列像元良率接近于100％，能够实现紫外光雪崩管成像阵列，克服了GaN和AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的问题。
紫外光雪崩管成像阵列像元中光电二极管由III-V族和/或II-VI族半导体材料制得，优选由GaN，AlGaN或AlN中的至少一种制得。
紫外光雪崩管成像阵列像元中雪崩管探测器单元的半径优选为1至50μm。
优选每个独立的薄膜电阻的阻值为100KΩ至10MΩ；优选的薄膜电阻的材料为SiC或SixOy。
由于GaN和AlGaN材料本身缺陷密度很大，故GaN和AlGaN基雪崩管的良率很低；在UV-APD 300中有些UV-APD 200是坏的，故在无光加负偏压时，这些坏的UV-APD 200就已经发生雪崩，这时在电极301上就有一个电信号IB，这个电信号就是暗电流，我们可以称这个电流为背底电流；而那些品质好的UV-APD 200则能够正常工作。具体操作中，所述紫外光雪崩管成像阵列像元的应用方法为：在所述紫外光雪崩管成像阵列像元上加负偏压，使紫外光雪崩管成像阵列像元工作，无光时，测得紫外光雪崩管成像阵列像元电流为IB，将它作为像元背底电流；有光时，那些品质好的UV-APD 200发生雪崩过程从而将光信号转化为电信号并放大，测得紫外光雪崩管成像阵列像元电流为IS，则由光产生的倍增电流大小为IC＝IS-IB，这就是所述紫外光雪崩管成像阵列像元得到的电信号大小。
紫外光雪崩管成像阵列像元工作在线性放大模式或盖革模式(Geiger Mode)【D.Renker，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567(2006)48-56】下。
所加负偏压大小为10V到100V。
所述雪崩管成像阵列，由多个所述的紫外光雪崩管成像阵列像元组成。
由于UV-APD 300由多个UV-APD 200并联得到，可以将UV-APD 200的面积做的很小，这样提高了UV-APD 200的良率，且不影响UV-APD 300的感光面积。如果UV-APD 300是由合适个数的UV-APD200并联构成，则UV-APD 300中总有一定个数品质好的UV-APD 200。如果GaN的缺陷密度为107cm-2，且UV-APD200的面积为5×5μm2，则根据良率公式UV-APD200的良率为13％，若UV-APD 300由10×10个UV-APD 200单元构成，则像元UV-APD 300中有13个UV-APD 200是品质好的，这样UV-APD 300总能对光信号进行探测，故这种结构的紫紫外光雪崩管成像阵列像元良率接近于100％，克服了GaN和AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的问题。如图4所示UV-APD 300由16个UV-APD 200并联构成，若该像元中总有品质好的UV-APD 200，则UV-APD 300就是一个品质好的成像像元，它能对光信号进行探测，并且良率近乎达到了100％，可以实现紫外光雪崩管成像阵列。
由前面分析得到，本发明紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300的良率接近于100％，所以利用UV-APD 300作为成像单元，可以制成雪崩管成像阵列。如图5所示，UV-APDARRAY 500是由N×N个UV-APD 300组成的雪崩管成像阵列，在上面提到由于像元UV-APD300的良率接近于100％，所以成像阵列UV-APD ARRAY 500中，所有的像素单元都是品质好的，因此本发明所述紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300克服了由于GaN和AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的无法实现紫外光雪崩管成像阵列的问题。
同时本发明提出的新型结构也可以用来制造大感光面积紫外光雪崩管成像阵列像元，由于GaN和AlGaN材料本身的缺陷密度比较大，故大面积的紫外光雪崩管非常难制造成功，但本发明中UV-APD 300是由多个UV-APD 200并联构成，可以将UV-APD 200的面积做的很小，提高了UV-APD 200的良率，同时由多个UV-APD 200构成UV-APD 300，使感光面积增大且不影响良率。比如我们需要制成100×100μm2大小的紫外光雪崩管成像阵列像元，若用传统的结构，其良率不到1％，如果采用本发明，若UV-APD 200的面积为5×5μm2(随着工艺的进步，尺寸可以做的更小)，则UV-APD 200的良率是10％左右，那么可以用20×20个UV-APD 200构成UV-APD 300，使像元面积到达100×100μm2，且其良率可以接近于100％，这是目前的雪崩管结构无法达到的。假若材料技术的发展使得AlGaN和GaN等材料的缺陷密度减小，那么制造同样50×50μm2大小的紫外光雪崩管成像阵列像元，传统结构的良率与本发明紫外光雪崩管成像阵列像元的良率随缺陷密度的关系如图6所示(图中本发明紫外光雪崩管成像阵列像元由10×10个5×5μm2大小的UV-APD 200单元构成)，可以发现只有当AlGaN和GaN材料的缺陷密度减小到104cm-2时，传统结构的紫外光雪崩管的良率才能与本发明相比拟。所以利用本发明提出的紫外光雪崩管成像阵列像元结构，可以制成大感光面积的紫外光雪崩管像元，且避免了由于面积较大而导致良率下降的问题。
本发明的有效效果为：
本发明所述紫外光雪崩管成像阵列像元结构克服了GaN，AlGaN等多缺陷材料本身缺陷密度大而造成的良率过低的问题，该新型结构紫外光雪崩管成像阵列像元良率可以接近并达到100％，利用该紫外光雪崩管成像阵列像元作为成像单元，可以制成紫外光雪崩管成像阵列。
本发明中紫外光雪崩管成像阵列像元结构克服了大面积雪崩管良率过低的问题，该紫外光雪崩管成像阵列像元可以由几十或者数百个较小的基本单元结构UV-APD 200组成，所以可以制成大感光面积的紫外光雪崩管成像阵列像元，且没有因为面积过大而良率降低的问题。
附图说明
图1为现有技术中AlGaN材料传统结构雪崩管探测器良率与器件面积的关系；
图2A为典型的硅基MRS结构雪崩管探测器结构示意图；
图2B为图1A中描述的硅基MRS结构雪崩管探测器的等效电路图；
图3A为本发明一种紫外光雪崩管成像阵列像元的结构示意图；
图3B为图3A中紫外光雪崩管成像阵列像元中的基本组成单元结构示意图；
图3C为图3A中紫外光雪崩管成像阵列像元的基本工艺过程；
图3D为图3A中紫外光雪崩管成像阵列像元的等效电路图；
图4为本发明一种具体的紫外光雪崩管成像阵列像元的结构示意图；
图5为本发明一种雪崩管成像阵列；
图6为面积为50×50μm2的传统结构雪崩管探测器良率与本发明紫外光雪崩管成像阵列像元的良率对比图。
具体实施方式
如图3A所示是本发明所述紫外光雪崩管成像阵列像元的一个示意图。
若所述紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300由多个基本单元UV-APD 200(如图3B)并联构成，UV-APD 200的半径可以为1μm到50μm。在图3B中，我们可以由下而上形成衬底201，衬底201可以是SiC、蓝宝石以及硅衬底等材料，但要求衬底透光；n型半导体202和p型半导体204，材料可以是GaN，AlN和AlGaN等材料，可以采用MOCVD的方式外延生长n型半导体202和p型半导体204，其中也有缓冲层，从而降低材料中的晶格位错，减小缺陷密度；然后刻蚀p型半导体露出部分n型半导体，再形成n型接触电极203，电极可以采用Ti/Au合金等材料；淀积绝缘钝化层205并且形成接触孔206，钝化层可以用氧化物等材料；淀积形成薄膜电阻207使薄膜电阻207和p型半导体形成电接触，薄膜电阻207可以采用SiC或SixOy等材料，其电阻值约为几百KΩ到1MΩ；淀积介质层208和形成接触孔209，金属层210和薄膜电阻207形成电接触，211是接触电极。
本发明紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300可以由数十个到数百个UV-APD 200构成，若构成100×100μm2大小的紫外光雪崩管成像阵列像元，可以用20×20个面积为5×5μm2大小的UV-APD 200构成，其工艺流程如图3C所示。
简单的工艺流程为：
在衬底201上形成n型半导体202以及p型半导204，可以用MOCVD的方式外延生长GaN，AlN和AlGaN等半导体材料；
刻蚀p型半导体204，形成多个光电二极管阵列结构，阵列大小为20×20，光电二极管的面积为5×5μm2。
然后在n型半导体202上形成接触电极203，所有的n型接触电极203可以通过金属线连接在一起作为紫外光雪崩光成像阵列像元的一个电极；
淀积绝缘钝化层205并在光电二极管单元上方刻蚀形成接触孔206；
淀积并刻蚀形成20×20个薄膜电阻207，薄膜电阻通过接触孔与相应的光电二极管单元形成电接触；
淀积介质层208并在所有的薄膜电阻207上方刻蚀形成接触孔209；
淀积金属层210并通过接触孔209与所有的薄膜电阻207形成电接触，金属层210构成另一个电极211。
前面诉述100×100μm2大小紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300在具体操作时，电极301上加上负偏压Vbias，使像元UV-APD 300工作在线性放大模式或者Geiger Mode下，其电压大小可以为10V至100V，根据不同的掺杂浓度以及工艺参数，其工作电压亦不同。无光时，在电极301上测得像元UV-APD 300的电流大小为IB，这是紫外光雪崩管成像阵列像元UV-APD 300的背底电流；有光时，在电极301上测得雪崩管的电流为IS，则由光信号转化成的电流的大小为：
IC＝IS-IB
即IC为雪崩管像元UV-APD 300读出的电信号的大小。
Claims (9)
1.一种紫外光雪崩管成像阵列像元，其特征在于由多个紫外雪崩管探测器并联而成，所述紫外雪崩管探测器由光电二极管、薄膜电阻、金属层顺序连接而成，每个紫外雪崩管探测器中，光电二极管的n型半导体与接触电极连接，成像像元中各个紫外雪崩管探测器的接触电极之间形成电连接作为一个电极，各个紫外雪崩管探测器共用一块完整的金属层，金属层形成紫外光雪崩管成像阵列像元的另一个电极。
2.权利要求1所述的紫外光雪崩管成像阵列像元的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在衬底上依次形成n型半导体以及p型半导体；
（2）刻蚀p型半导体，形成多个独立的光电二极管结构，并于刻蚀后的区域内在n型半导体上形成多个与光电二极管一一对应的接触电极；
（3）淀积钝化层并在光电二极管上方刻蚀形成第一接触孔；
（4）淀积并刻蚀形成薄膜电阻，薄膜电阻通过第一接触孔与相应的光电二极管单元形成电接触；
（5）淀积介质层并在所有的薄膜电阻上方刻蚀形成第二接触孔；
（6）淀积金属层并通过第二接触孔与所有的薄膜电阻形成电接触。
3.如权利要求2所述紫外光雪崩管成像阵列像元的制备方法，其特征在于，光电二极管由GaN，AlGaN或AlN中的至少一种制得。
4.如权利要求2所述紫外光雪崩管成像阵列像元的制备方法，其特征在于，成像阵列像元中雪崩管探测器单元的半径为1至50μm。
5.如权利要求2所述紫外光雪崩管成像阵列像元的制备方法，其特征在于，每个独立的薄膜电阻的阻值为100KΩ至10MΩ，优选薄膜电阻的材料为SiC或SixOy。
6.权利要求1所述紫外光雪崩管成像阵列像元的应用方法，其特征在于，在所述紫外光雪崩管成像阵列像元上加负偏压，使紫外光雪崩管成像阵列像元工作，无光时，测得紫外光雪崩管成像阵列像元电流为IB，将它作为像元背底电流；有光时，测得紫外光雪崩管成像阵列像元电流为IS，则由光产生的倍增电流大小为IC=IS-IB，这就是所述紫外光雪崩管成像阵列像元得到的电信号大小。
7.如权利要求6所述的紫外光雪崩管成像阵列像元的应用方法，其特征在于，紫外光雪崩管成像阵列像元工作在线性放大模式或盖革模式下。
8.如权利要求6或7所述的紫外光雪崩管成像阵列像元的应用方法，其特征在于，所加负偏压大小为10V到100V。
9.一种雪崩管成像阵列，由多个权利要求1所述的紫外光雪崩管成像阵列像元组成。
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