CN104505422A - 一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管 - Google Patents
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Abstract
一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管涉及半导体光电器件领域,与传统结构不同,具备自动熄灭然后自动恢复的特点。本发明包括有依次纵向层叠的n型层(102),电荷倍增区(103),p型层(104),衬底(106),其特征在于,还包括有p型层(104)和衬底(106)之间的空穴势阱形成层(105);实现空穴势阱有两种方法,一种是空穴势阱形成层(105)采用n型材料,当与p型层(104)形成pn结后,能带下移,使得p型层(104)的空穴位置能量最低,从而在p型层(104)中形成了空穴势阱;第二种方法是空穴势阱形成层(105)采用高出P型层(104)掺杂浓度2倍以上的p+型材料,在形成pp+结后,在空穴势阱形成层(105)中形成了空穴势阱。
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。目前,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(Photomultiplier tube)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,包括有依次纵向层叠的n型层102,电荷倍增区103,p型层104,衬底106,其特征在于,还包括有空穴势阱形成层105。
实现空穴势阱有两种方法,一种是空穴势阱形成层105采用n型材料,当与p型层104形成pn结后,能带下移,使得p型层104的空穴位置能量最低,从而在p型层104中形成了空穴势阱,能带图如图2(a)所示。第二种方法是空穴势阱形成层105采用高出P型层104掺杂浓度2倍以上的p+型材料,在形成pp+结后,在空穴势阱形成层105中形成了空穴势阱,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,雪崩产生的大量空穴在第一种方法形成的空穴势阱区p型层104中堆积,或者在第二种方法形成的空穴势阱区空穴势阱形成层105中堆积,积累的空穴与雪崩产生的电子能够产生与外加偏压相反的电场,从而导致电荷倍增区103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,不再有新的空穴产生,而堆积在空穴势阱中的空穴不断逃逸出空穴势阱,最终使得电荷倍增区103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102,电荷倍增区103,p型层104,衬底106,没有空穴势阱区结构。
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,包括有依次纵向层叠的n型层102,电荷倍增区103,p型层104,衬底106,其特征在于,还包括有夹在p型层104和衬底106之间的空穴势阱形成层105;
本发明的所有层材料适用于Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或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:n型层102,电荷倍增区103,p型层104,空穴势阱形成层105,衬底106
图2(a):根据本发明提出的自熄灭自恢复雪崩二极管对应的能带示意图之一
图2(b):根据本发明提出的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:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤一
图5-2:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤二
图5-3:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤三
图5-4:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤四
具体实施方式:
如图5所示,其制备过程和方法如下:
1.在电阻率为1000Ω·cm以上的高阻硅衬底正面注入磷,形成空穴势阱形成层105,掺杂浓度为1×1018cm-3;
2.在高阻的硅衬底正面注入硼,形成p型层104,掺杂浓度为5×1017cm-3;
3.硅衬底正面注入磷,在紧靠样品上表面形成n型层102,掺杂浓度为5×1018cm-3。同时,由离子注入形成的n型层102和p型层104,由于注入深度不同,之间会存在一层非故意掺杂区103,该区为电荷倍增区;
4.退火,将注入的杂质离子激活,退火温度1000℃,退火时间30分钟;
5.在样品表面淀积一层二氧化硅100,厚度为45纳米,用于增透,同 时钝化界面,减小表面漏电流;
6.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101和p型欧姆接触电极107;
7.正面光刻,将中心暴露出,用于光子入射;
8.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101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)
1.一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,包括有依次纵向层叠的n型层(102),电荷倍增区(103),p型层(104),衬底(106),其特征在于,还包括有p型层(104)和衬底(106)之间的空穴势阱形成层(105);
实现空穴势阱有两种方法,一种是空穴势阱形成层(105)采用n型材料,当与p型层(104)形成pn结后,能带下移,使得p型层(104)的空穴位置能量最低,从而在p型层(104)中形成了空穴势阱;第二种方法是空穴势阱形成层(105)采用高出P型层(104)掺杂浓度2倍以上的p+型材料,在形成pp+结后,在空穴势阱形成层(105)中形成了空穴势阱。
2.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,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所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,其特征在于:
所有层材料为Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI材料。
4.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,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所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,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所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管,其特征在于:
能采用正面入射,或者采用背面入射。
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