CN104505421A - 一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管 - Google Patents
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Abstract
一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管涉及半导体光电器件领域。包括有依次纵向层叠的第一n型层(101)、第二n型层(102)、电荷倍增区(104)、p型层(105)和衬底(106)，其特征在于：第一n型层(101)、第二n型层(102)中间有电子势阱层(103)；实现电子势阱有两种方法，一种是电子势阱层(103)采用p型材料，第二种方法是电子势阱层(103)采用第一n型层(101)或第二n型层(102)掺杂浓度二倍以上的n+型材料，在形成nn+结后，在电子势阱层(103)中形成了电子势阱。本发明提供一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管结构，与传统结构不同，具备自动熄灭然后自动恢复的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体涉及一种能够对微弱光进行探测的雪崩光电二极管。
背景技术
单光子探测技术在量子通信、传感与遥感、高能物理、3D成像、军事及医药等领域有着广泛应用前景，因此备受关注。实现单光子探测的光子计数器件主要分为两种结构：基于真空管技术的光电倍增管PMT(Photomultipliertube)和基于半导体技术的雪崩光电二极管(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，难集成，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，雪崩光电二极管光子探测效率高，特别是在红光和近红外波长范围内探测具有明显优势，此外器件体积小，可靠性高，功耗低，易集成，并与CMOS工艺兼容。
雪崩二极管用于单光子探测时，其工作电压高于器件的击穿电压，因此入射的单光子信号会触发自持性雪崩电流，导致热击穿，对器件造成致命损害。为了抑制器件热击穿的伤害，提高器件寿命，要求器件的击穿时间极短。常用方式是在器件外添加熄灭电路，降低器件电压，终止雪崩，等待下一个入射信号的触发。熄灭电路的增加使得整个系统复杂，成本高。为此，我们发明了一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管结构，能够在不加外加熄灭电路的情况下，自动熄灭然后自动恢复到初始状态，开始探测下一个入射光信号，如此简化了探测系统，降低了成本，更利于大规模推广和使用。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管结构，与传统结构不同，具备自动熄灭然后自动恢复的特点。
为了实现上述目的，本发明的雪崩光电二极管结构及其对应的能带结构，如图1所示，其特征在于：
包括有依次纵向层叠的第一n型层101、第二n型层102、电荷倍增区104、p型层105和衬底106，其特征在于：第一n型层101、第二n型层102中间有电子势阱层103；实现电子势阱有两种方法，一种是电子势阱层103采用p型材料，当与n型层101，102形成pn结后，能带上升，使得n型层101和102的电子位置能量均低于电子势阱层103，从而在n型层101和102中形成了电子势阱，能带图如图2(a)所示。第二种方法是电子势阱层103采用n型层101和102掺杂浓度二倍以上(上限为掺杂工艺极限浓度)的n+型材料，在形成nn+结后，在电子势阱层103中形成了电子势阱，能带图如图2(b)所示。
该结构实现自熄灭和自恢复功能的工作原理是，当雪崩发生后，雪崩产生的大量电子在第一种方法形成的电子势阱区n型层101和102中堆积，或者在第二种方法形成的电子势阱在电子势阱层103中堆积，积累的电子与雪崩产生的空穴能够产生与外加偏压相反的电场，从而导致电荷倍增区104上总的电场强度降低。由于雪崩过程与电场强度密切相关，电场强度的降低直接导致雪崩过程的抑制，从而实现自熄灭。与此同时，随着雪崩过程的熄灭，不再有新的电子产生，而堆积在电子势阱中的电子不断逃逸出电子势阱，最终使得电荷倍增区104上的总电场强度恢复，雪崩倍增再次被触发，完成自恢复过程，开始下一个雪崩光信号探测。
与此相对应，图3显示的传统的雪崩光电二极管结构及其对应的能带结构，仅仅包括依次纵向层叠的n型层101和102，电荷倍增区104，p型层105，衬底106，没有电子势阱区结构。
本发明提出的结构适用于使用离子注入的方法形成，也适用于扩散的方式，也适用于分子束外延和金属有机气相沉积方法形成；
本发明的所有结构层材料适用于Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI、GOI材料；
本发明的探测波长范围适用于红外、可见光、紫外、或太赫兹波段；
本发明中的物理结构适用于吸收区和雪崩区分离的结构，有利于载流子吸收；
本发明的雪崩光电二极管，能采用正面入射，或者采用背面入射。
图4显示的是在入射光恒定功率脉冲照射下，本发明的雪崩光电二极管的光生电流的模拟结果。从图可以看出，器件在探测到第一个入射光信号后，产生光电流，但是在0.01微秒后会自动熄灭，0.2微秒后自动恢复，探测下一个入射光信号，充分展示了本发明的雪崩光电二极管的自熄灭和自恢复过程。
附图说明：
图1：根据本发明提出的自熄灭自恢复雪崩光电二极管的截面结构示意图；图中：第一n型层101，第二n型层102，电荷倍增区104，p型层105，电子势阱层103，衬底106
图2(a)自熄灭自恢复雪崩二极管对应的能带示意图之一
图2(b)自熄灭自恢复雪崩二极管对应的能带示意图之二
图3：传统雪崩二极管的截面结构示意图及其对应的能带示意图
图4：本发明的雪崩光电二极管具备的自熄灭和自恢复模拟结果
图5-1雪崩光电二极管具体实施例制备过程一
图5-2雪崩光电二极管具体实施例制备过程二
图5-3雪崩光电二极管具体实施例制备过程三
具体实施方式：
具体实施例制备过程和方法如下：
1、如图5-1所示，在电阻率为1000Ω·cm以上的高阻硅衬底正面通过原位掺杂，用金属有机气相沉积的方法，形成p型层105，掺杂浓度为5×1017cm-3；
2、在正面用金属有机气相沉积的方法，形成电荷倍增区104，不掺杂，厚度在0.2～1微米范围内；
3、在正面通过金属有机气相沉积的方法，形成第二n型层102，掺杂浓度为5×1018cm-3；
4、在正面通过金属有机气相沉积的方法形成电子势阱层103，掺杂浓度为1×1018cm-3；
5、在正面通过金属有机气相沉积的方法形成第一n型层101，掺杂浓度为5×1018cm-3。
6、在正面淀积二氧化硅，厚度为45纳米，用于增透，同时钝化界面，减小表面漏电流；
7、正面和背面同时采用溅射的方法淀积金属Al，厚度为300纳米，形成n型欧姆接触电极100和p型欧姆接触电极107；
8、正面光刻，将中心暴露出，用于光子入射；
9、如图5-3所示，合金，切割，得到本发明的自熄灭和自恢复雪崩二极管。在光照情况下，在n型欧姆接触电极100和p型欧姆接触电极107加反偏电压获得光信号的探测。
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 (6)
1.一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，包括有依次纵向层叠的第一n型层(101)、第二n型层(102)、电荷倍增区(104)、p型层(105)和衬底(106)，其特征在于：第一n型层(101)和第二n型层(102)相同，第一n型层(101)、第二n型层(102)中间有电子势阱层(103)；实现电子势阱有两种方法，一种是电子势阱层(103)采用p型材料，与第一n型层(101)、第二n型层(102)形成pn结后，能带上升，使得第一n型层(101)或第二n型层(102)的电子位置能量均低于电子势阱层(103)，从而在第一n型层(101)、第二n型层(102)中形成了电子势阱；第二种方法是电子势阱层(103)采用第一n型层(101)或第二n型层(102)掺杂浓度二倍以上的n+型材料，在形成nn+结后，在电子势阱层(103)中形成了电子势阱。
2.根据权利要求1所述的一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，其特征在于：
第一n型层(101)、第二n型层(102)、电子势阱层(103)或p型层(105)的形成使用离子注入的方法形成、或者扩散的方式、或者分子束外延、或金属有机气相沉积方法形成。
3.根据权利要求1所述的一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，其特征在于：
所有结构层材料为Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI材料。
4.根据权利要求1所述的一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，其特征在于：
探测波长范围为红外、可见光、紫外或太赫兹波段。
5.根据权利要求1所述的一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，其特征在于：
适用于吸收区和雪崩区分离的结构。
6.根据权利要求1所述的一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管，其特征在于：
能采用正面入射，或者采用背面入射。
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