CN102214724A - 一种高增益雪崩二极管 - Google Patents

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Abstract

一种高增益雪崩二极管涉及半导体器件领域，具体涉及一种能够对微弱光进行探测的雪崩二极管。现有的雪崩二极管普遍由于热生载流子和高场产生的隧道电流的存在，存在室温下暗电流大的问题，这样直接导致信噪比小，增益低，因此通常需要低温下工作。高增益雪崩二极管包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极，由n型重掺杂层，电荷倍增区，p型重掺杂层组成的雪崩区，吸收区，吸收区上设有p型欧姆接触电极和p型欧姆接触层，其特征在于，雪崩区横向尺寸为纳米级尺寸。该高增益雪崩二极管能够大大降低器件总的暗电流，从而提高器件增益，提高探测频率。

Description

一种高增益雪崩二极管
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种能够对微弱光进行探测的雪崩二极管。
背景技术
目前，光子计数器件主要使用基于真空管技术的光电倍增管PMT(Photomultiplier tube)和基于半导体技术的雪崩二极管(Avalanche Photon Diode，APD)。光电倍增管具有增益高，测试面积大，计算速率快，和时间分辨率高等优点，然而，其在可见光范围的量子效率很低，体积大，高压工作(200～600V)，易破损，昂贵，严重限制了光电倍增管的应用范围。与光电倍增管相比，雪崩二极管不仅光子探测效率高，特别是在红光和近红外波长范围内，而且体积小，可靠性高，功耗小，易集成，并与CMOS工艺兼容。
作为光子计数器件的雪崩二极管，在盖格(Geiger)工作模式下，使器件的偏置电压V大于雪崩击穿电压VB，当吸收的光子产生光生载流子，并进入到雪崩区，在高的反向电场的作用下，触发雪崩，从而产生一个从nA数量级飞速增加到mA数量级的雪崩电流信号，这个信号就意味着探测到光信号。
然而，现有的雪崩二极管普遍由于热生载流子和高场产生的隧道电流的存在，现有的雪崩二极管存在室温下暗电流大的问题，这样直接导致信噪比小，增益低，因此通常需要低温下工作。为了克服这些缺点，我们提出了本发明。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高增益雪崩二极管结构，具有增益高、暗电流小的特点。
为了实现上述目的，本发明的一种雪崩二极管结构，如图1所示，包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极101，由n型重掺杂层102，电荷倍增区103，p型重掺杂层104组成的雪崩区，吸收区107，吸收区107上设有p型欧姆接触电极105和p型欧姆接触层106，其特征在于，雪崩区横向尺寸为纳米级尺寸。
进一步，雪崩区横向尺寸小于500nm。
当在n型欧姆接触电极101和p型欧姆接触电极105之间加反偏压，即可实现光子探测。
本发明适用于Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI、GOI等材料；
本发明的探测波长范围适用于红外、可见光、紫外、太赫兹等波段；
本发明中的雪崩区尺寸小于500nm，有利于减小漏电流，从而提高增益；
本发明中的物理结构属于将吸收区和雪崩区分离的结构，能够形成倒扣漏斗形的电场，有利于载流子吸收；
本发明中p型欧姆接触层106、n型重掺杂层102、p型重掺杂层104可以用离子注入方式形成，也可以用扩散的方式形成；
本发明中p型欧姆接触电极105和n型欧姆接触电极101可以为透明电极，也可以为不透明电极；
本发明的雪崩二极管，可以为正面入射，也可以为背面入射。
该高增益雪崩二极管，由于采用了纳米尺寸的雪崩区结构，在p型欧姆接触层106、n型重掺杂层102、p型重掺杂层104共同作用下，使得在器件内部形成的电场分布的形状像倒扣的漏斗一样，这在现有的雪崩二极管的内部电场中无法获得的，该电场有利于光生载流子直接输运到雪崩区，减小流经表面的机会，因此大大减小表面复合电流。同时，由于雪崩区域尺寸小，漏电流也大大降低，使得暗电流大大降低。因此，该高增益雪崩二极管能够大大降低器件总的暗电流，从而提高器件增益，提高探测频率。
从图3器件制备的实际测试结果可以看出，随着器件尺寸下降，由于暗电流下降，增益不断提高。而雪崩区为10μm的结果，与现有常规的雪崩二极管的增益相当，这个结果说明了该发明器件具有高增益的特点。
附图说明：
图1：根据本发明提出的高增益雪崩二极管的截面结构示意图；
图中：101、n型欧姆接触电极，102、n型重掺杂层，103、电荷倍增区，104、p型重掺杂层，105、p型欧姆接触电极，106、p型欧姆接触层，107、光吸收区；
图2：本发明提出的高增益雪崩二极管的制备方法如下：
图3：增益与雪崩区尺寸的关系图。
具体实施方式：
如图2所示，其制备过程和方法如下：
1、在高阻的硅衬底正面依次注入磷和硼，分别形成n型重掺杂层102和p型重掺杂层104，掺杂浓度分别为1018cm-3和5×1017cm-3。由n型重掺杂层102和p型重掺杂层104之间无注入区形成电荷倍增区103；
2、光刻，ICP刻蚀，定义直径为500nm的纳米雪崩区，形成台面结构；
3、光刻，在纳米雪崩区两侧注入硼，掺杂浓度为1019cm-3，形成p型欧姆接触层106；
4、采用溅射或者蒸发，在n型重掺杂层102和p型欧姆接触层106上面分别淀积厚度为500nm的金属Al，形成n型欧姆接触电极101和p型欧姆接触电极105；
5、合金，切割，得到本发明的高增益雪崩二极管。在光照情况下，在n型欧姆接触电极101和p型欧姆接触电极105加反偏电压获得光信号的探测。
图3是器件制备的实际测试结果，从图3可以看出，随着器件尺寸下降，由于暗电流下降，增益不断提高。而雪崩区为10μm的结果，与现有常规的雪崩二极管的增益相当，这个结果说明了该发明器件具有高增益的特点。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种高增益雪崩二极管，包括有依次纵向层叠的n型欧姆接触电极，由n型重掺杂层，电荷倍增区，p型重掺杂层组成的雪崩区，吸收区，吸收区上设有p型欧姆接触电极和p型欧姆接触层，其特征在于，雪崩区横向尺寸为纳米级尺寸。
2.根据权利要求1所述的高增益雪崩二极管，其特征在于，雪崩区横向尺寸小于500nm。
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