CN104505422B - 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：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 (4)
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：
探测波长范围为红外、可见光、紫外或太赫兹波段。
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：
适用于吸收区和雪崩区分离的结构。
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：
能采用正面入射，或者采用背面入射。
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