CN105445638B - 一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法，原位装置包括基底、基底表面绝缘层、金属电极和探测电压表，基底表面绝缘层原位生长在基底表面，金属电极包括第一电极和第二电极，均位于基底表面绝缘层上且均位于基底的中心线位置，探测电压表的两端分别与第一电极和第二电极连接，第一电极和第二电极通过基底及探测电压表形成一个探测回路。探测方法包括：将探测雪崩效应的原位装置与雪崩效应区连接；在雪崩效应区输入电流大小可变的稳恒电流；逐步增加稳恒电流大小，通过探测雪崩效应的原位装置的探测电压表观察电压脉冲现象。本发明具有准确探测雪崩效应放电具体过程并能检测肖特基结质量的优点，可用于探测多种雪崩效应器件。

Description

一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法。

背景技术

具有高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子-空穴对。一个电子被碰撞出了一个电子和空穴，于是一个载流子变为了三个载流子。这三个载流子(电子和空穴)在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子-空穴对。最原始的电子也会如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这样繁殖载流子的方式称为载流子的雪崩效应。

目前，基于雪崩效应的半导体器件的制备以及性能的研究工作得到了科研人员极大的重视。CN101387658B的专利公开了一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电路与方法，该发明基于自动控制原理，自动调整安全偏置电压，通过比较采样得到的电流值和预设值来判断雪崩击穿工作区，并将结果显示在微机系统的人机界面。CN103299437A的专利申请公开了一种用于在CMOS集成电路中使用的单光子雪崩二极管。CN102800717B的专利公开了一种PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法，其利用区域选择生长的p型轻掺杂GaN保护环来减少探测器漏电流，抑制边沿提前击穿，实现稳定的高增益的紫外雪崩光电探测。CN103077996A的专利申请公开了一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特征的方法，所述雪崩光电探测器用于探测目标探测光，并包括纵向依次排列多层结构。CN103268898B公开了一种雪崩光电光电探测器及其高频特性提高方法。CN201885758U的实用新型专利提供了一种雪崩光电探测器及光能检测装置。

由于雪崩开关过程迅速，从目前的研究来看，人们对于调控雪崩电离过程的手段还十分缺乏，因此如何设计一套原位装置去准确探测雪崩放电具体过程，具有一定的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法，准确探测雪崩效应具体放电过程并能检测肖特基结质量，可用于探测多种雪崩效应器件。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种探测雪崩效应的原位装置，包括基底、基底表面绝缘层、金属电极和探测电压表，基底表面绝缘层原位生长在基底表面，金属电极设有两个、分别为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均位于基底表面绝缘层上且均位于基底的中心线位置，探测电压表的两端分别与第一电极和第二电极连接，第一电极和第二电极通过基底及探测电压表形成一个探测回路。

按上述方案，所述基底为Si、Ge、GaSb、InSb、InP、GaP、InAs、GaAs或Ag₂S半导体材料中的一种，且基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致(同一体系)。

按上述方案，所述基底表面绝缘层的材料为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Cr₂O₃、TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、Na₂O或K₂O。

按上述方案，所述金属电极选用Ag、Fe、Co、Al、Bi、Ni、Pb、In、Au、Cu、W或Pt中的一种。

按上述方案，所述金属电极的功函数与基底的功函数存在差异，金属电极与基底之间形成阻挡层。

按上述方案，所述探测回路的电极结构是金属电极/基底表面绝缘层/半导体结构。

本发明还提供了一种基于上述探测雪崩效应的原位装置的探测方法，包括如下步骤：

1)将探测雪崩效应的原位装置与雪崩效应区连接，雪崩效应区是由金属/绝缘体/半导体或者p型半导体/i型半导体/n型半导体结构组成的雪崩效应器件，探测雪崩效应的原位装置的基底与雪崩效应区的半导体连接，基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致；

2)在雪崩效应区输入电流大小可变的稳恒电流；

3)逐步增加稳恒电流大小，通过探测雪崩效应的原位装置的电压探测表观察电压脉冲现象，该现象即反映出雪崩效应器件的雪崩效应具体过程。

本发明原位装置的探测原理是当雪崩效应区发生雪崩效应时，导致基底的载流子浓度发生突变，在探测雪崩效应的原位装置中测出电压脉冲现象。

本发明的有益效果：本发明探测方法具有准确探测雪崩效应放电具体过程并能检测肖特基结质量的优点，可用于探测多种雪崩效应器件，如金属/绝缘体/半导体结构、p型半导体/i型半导体/n型半导体结构的雪崩效应器件。本发明所涉及的原位装置设计简单、探测精度高。

附图说明

图1是本发明探测雪崩效应的原位装置的结构示意图

图2是本发明探测雪崩效应的原位装置的工作原理图；

图1～图2中，1-基底，2-基底表面绝缘层，3-第一电极，4-第二电极，5-探测电压表，6-雪崩效应器件；

图3是本发明模拟图2中所述第二电极处的电容放电时，探测电压表两端测试电压V_m随时间的变化关系图；

图4是将探测雪崩效应的原位装置替换为非原位生长在半导体基底的探测装置的结构示意图；图4中，7-第一二极管，8-第二二极管；

图5是本发明中雪崩效应区对应以金属/绝缘体/半导体结构为例说明绝缘体内等离子体示意图；

图6是本发明模拟雪崩效应区对应以金属/绝缘体/半导体结构为例说明基底表面绝缘层内多个等离子体对应的电压脉冲图；

图7是本发明实施例测量得到的40K时零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在0～200μA的局部放大图；

图8是本发明实施例测量得到的40K时零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在0～400μA的整体图；

图9是本发明实施例测量得到的40K时零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在200～400μA的局部放大图；

图10是本发明实施例中图7-图9的八处电压脉冲位置对应的V_m-t图。

具体实施方式

为了验证我们设计的一种探测雪崩效应的原位装置的可行性和所述理论分析的正确性，我们通过附图结合案例进行验证。

参照图1所示，本发明所述的探测雪崩效应的原位装置，包括基底1、基底表面绝缘层2、金属电极和探测电压表5，基底表面绝缘层2原位生长在基底1表面，金属电极设有两个、分别为第一电极3和第二电极4，第一电极3和第二电极4均位于基底表面绝缘层2上且均位于基底1的中心线位置，探测电压表5的两端分别与第一电极3和第二电极4连接，第一电极3和第二电极4通过基底1及探测电压表5形成一个探测回路。

基底1为半导体材料(Si、Ge、GaSb、InSb、InP、GaP、InAs、GaAs或Ag₂S)，且该半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致(同一体系)。基底表面绝缘层2的材料为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Cr₂O₃、TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、Na₂O或K₂O。金属电极选用Ag、Fe、Co、Al、Bi、Ni、Pb、In、Au、Cu、W或Pt中的一种。所述金属电极的功函数与基底的功函数存在差异，金属电极与基底之间形成阻挡层。所述探测回路的电极结构是金属电极/基底表面绝缘层/半导体结构。

本发明探测雪崩效应的原位装置的工作原理如图2所示，主要包括(I)和(II)两个区域。其中，(I)区为雪崩效应区，它由金属/绝缘体/半导体组成的雪崩效应器件结构，或者为p型半导体/i型半导体/n型半导体的雪崩效应器件结构。为图示清晰，本发明附图中将雪崩效应区的雪崩效应器件结构都选用金属/绝缘体/半导体结构。(II)区对应的是探测雪崩效应的原位装置，其结构是在与雪崩效应区同一体系下的半导体基底上原位制备得到的。其中箭头指向为电流输入方向，即从第一电极3经探测电压表5流向第二电极4，然后第一电极3和第二电极4之间通过基底1的半导体和探测电压表5形成一个探测回路。如果记第一电极3两端电压为V_d1，第二电极4两端电压为V_d2，探测电压表5测试电压为V_m，第一电极3和第二电极4之间半导体两端电压为V₁₂，那么：

V₁₂＝V_d1+V_d2+V_m (1)

如果将第一电极3处结构视为欧姆接触，则：

V_d1≈0 (2)

将公式(2)代入公式(1)中得：

V₁₂＝V_d2+V_m (3)

由欧姆定律可知：

V₁₂＝R₁₂×I (4)

公式(4)中R₁₂为第一电极3和第二电极4之间半导体两端的电阻，I为通过第一电极3和第二电极4之间半导体的电流。

而根据电阻计算公式：

公式(5)中L为第一电极3和第二电极4之间的长度，S为基底1的横截面积，对于同一基底1条件下固定金属电极位置的测量，L/S为常量。

根据半导体电阻率公式：

公式(6)中n、p分别电子浓度和空穴浓度，q为每个电子或空穴对应的电荷量，μ_n、μ_p分别表示为电子和空穴迁移率；将公式(6)代入公式(5)再代入公式(4)中得：

第一电极3和第二电极4之间半导体两端电阻R₁₂与半导体体系内部载流子浓度和迁移率成反比，迁移率受温度影响较大，在一定温度下可视为不变。雪崩效应发生时，导致半导体基底内载流子浓度n的突然剧增，那么由公式(7)可知V₁₂将突然减小。第二电极4处的金属电极/基底表面绝缘层/半导体结构视为电容结构，那么在V₁₂突然减小的瞬间，V_d2将保持不变，从而由公式(3)可知V_m突然减小。如图3所示，该突变电容结构开始放电，放电电流方向与所述图1中电流方向相反。

探测回路中电容器放电时，电容器极板电量q随时间t变化的关系方程为：

公式(8)中ΔV₁₂为第一电极3和第二电极4之间半导体两端电压突变值，C为第二电极4处的电容结构电容大小，R为雪崩效应探测回路中的电阻值。

因此，在探测雪崩效应的原位装置的探测回路中第二电极4处的电容放电时，电压表两端电压V_m随时间t的变化关系将满足方程：

公式(9)中R为雪崩效应探测装置回路中的电阻值，C为第二电极4处的电容结构电容大小，A和V₀都是常量。

放电过程的快慢由探测回路的时间常数τ＝RC的大小表示，τ越大放电过程越慢。而金属/绝缘体/半导体结构，或者p型半导体/i型半导体/n型半导体结构中，绝缘体或者i型半导体的厚度可以影响电容C的值，厚度越厚，C值越大，因此我们可以通过改变绝缘体或者i型半导体的厚度来调控放电过程的快慢。

上述V_m随时间t变化的方程，其对应的曲线图如图3所示。电容放电结束后，探测电压表两端的电压将会回到起始电压对应的电压值V_m。

本发明原位装置结构的一个关键点是在半导体基底上原位制备得到的，如果连接雪崩效应区的原位装置不是原位生长在半导体基底，则不具有探测雪崩效应的功能。比如说在一个标准电阻的两端，参照图4，将第一电极3和第二电极4处的肖特基结结构用第一二极管7和第二二极管8来替代，由于在原位装置的半导体中，第一电极3和第二电极4之间的电阻是载流子浓度n的函数，雪崩效应发生时，半导体基底内载流子浓度n发生突变，从而导致如图3所示的探测电压脉冲现象；而标准电阻阻值恒定(载流子浓度不发生改变)，随着电流的逐步增加，标准电阻的电阻值不会发生突变，也就是第一二极管7和第二二极管8之间电压V₁₂’不会发生突变，基于上述理论分析，该结构将无法探测到雪崩效应具体过程。

对于雪崩效应区(I区)的雪崩效应器件，其雪崩过程往往是由于许多局部的雪崩效应所构成的，以金属/绝缘体/半导体结构为例画出示意图如图5所示，每个局部的雪崩过程(编号：1、2、3、4…)都依次形成等离子体(plasma)，这是由雪崩区域的缺陷所决定的。当每一个局部雪崩过程依次发生时，对应的载流子浓度n将依次发生突变，从而在电流逐步增加的过程中将依次探测到电压脉冲现象。如图6所示为每一次电压脉冲现象产生的电压差ΔV_i(i＝1、2、3、4…)，ΔV_i的大小与载流子浓度差Δn的大小有关，Δn越大，ΔV_i也越大。当多个局部雪崩过程同时发生时，对应的n将发生更大的突变，也就是说Δn值更大，那么ΔV_i也更大，该装置将能探测到一个更大的电压脉冲现象。基于上述分析，雪崩效应发生时突变电容结构放电电流方向与原来电流方向相反，那么在这个更大的电压脉冲现象发生时，将有可能出现电压由正值突变为负值的现象。上述雪崩区域的缺陷越多，对应形成的等离子体(plasma)数量也越多，电压脉冲现象也会越多。可见这种探测雪崩效应的原位装置能够提供一种检测肖特基结质量的方法。

本发明的一个实施例如下：用合金刻字笔切出一个平均长度为11.40mm，平均宽度约为3.52mm，厚度为0.25mm的p-Si:B片作为基底材料。所选基底材料表面原位生长了一层厚度约为3.94nm的二氧化硅绝缘层。将切好的基底材料浸没于丙酮中，超声清洗10min；然后取出转至浸没于无水乙醇中，再超声清洗10min；重复上述清洗步骤两到三次，直到基底材料表面无挂水珠现象，确保基底材料表面清洗干净；最后将清洗干净后的基底材料取出，用氩气吹干表面。选用铜线作为电极引线，采用低温导电银浆作为制备Ag电极的载体，把调好的低温导电银浆在尽量位于基底中心线位置依次接好电极。将上述制备好的原位装置样品放置于烘箱进行低温固化处理。

对已制好的样品在温度为40K和零外加磁场条件下四线法进行电输运性能测试，设置方式为：0～400μA步进值设置为0.1μA。结果参照图7-9，其中图7是0～200μA的局部放大图，图8是0～400μA的整体图，图9是220～400μA的局部放大图。

由图8可以发现，电流大于200μA瞬间(对应于图8中的“e”位置)，出现了一个非常强电压脉冲现象，且电压出现方向相反的情况，说明放电回路的电流方向与原先施加电流方向确实相反，同时也表明本发明的一种探测雪崩效应的原位装置能够探测到雪崩效应；并且电压降到最小后，随着外加电流的继续增加，电压开始逐渐增大，呈现一个电压回复现象，最终回复到与原来相同的状态。

由于实验操作中肖特基结内或多或少会存在一定的缺陷，因此根据所述理论分析，在雪崩效应探测装置中，我们可以发现多个电压脉冲现象。正如理论所述，参照图7和9，我们观察到很多相对较弱的电压脉冲现象，且电压陡然下降后，最终都会回复到与起始状态相同的状态，每一个电压脉冲现象都对应一个局部雪崩效应。实验表明，本案例制备的器件肖特基结内存在一定的缺陷，存在一定量的等离子体(plasma)导电通道。也说明，本发明的一种探测雪崩效应的原位装置能够提供一种检测肖特基结质量的方法。

根据所述理论，对应的电压脉冲现象对应的是一种电容放电过程，因此，我们挑选出图7-图9中的八处电压脉冲位置(八处电压脉冲位置由电流从小到大顺序依次编号为a～h，具体位置参照图7-图9)，并作出对应的V_m-t图，结果如图10所示，并利用如下方程进行拟合：

y＝y₀+A×exp(R₀x) (10)

图10中“”曲线为实验得到的数据，“——”曲线为拟合得到的数据，参照图10，所有曲线的拟合度都很好，拟合参数表明不论是在较小电压脉冲处还是较大电压脉冲位置，都对应着一种电容放电过程。

该案例说明，本发明设计的一种探测雪崩效应的原位装置的确提供了一种探测雪崩放电具体过程和检测肖特基结质量的方法。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种探测雪崩效应的原位装置，其特征在于，包括基底、基底表面绝缘层、金属电极和探测电压表，基底表面绝缘层原位生长在基底表面，金属电极设有两个，分别为第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均位于基底表面绝缘层上且均位于基底的中心线位置，探测电压表的两端分别与第一电极和第二电极连接，第一电极和第二电极通过基底及探测电压表形成一个探测回路；所述金属电极的功函数与基底的功函数存在差异，金属电极与基底之间形成阻挡层。

2.根据权利要求1所述的探测雪崩效应的原位装置，其特征在于，所述基底为Si、Ge、GaSb 、InSb、InP、GaP、InAs、GaAs或Ag₂S，且基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致。

3.根据权利要求1所述的探测雪崩效应的原位装置，其特征在于，所述基底表面绝缘层的材料为SiO₂、Si₃N₄、AlN、Cr₂O₃、TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、Na₂O或K₂O。

4.根据权利要求1所述的探测雪崩效应的原位装置，其特征在于，所述金属电极选用Ag、Fe、Co、Al、Bi、Ni、Pb 、In、Au、Cu、W或Pt中的一种。

5.根据权利要求1所述的探测雪崩效应的原位装置，其特征在于，所述探测回路的电极结构是金属电极-基底表面绝缘层-半导体结构。

6.一种基于上述权利要求1-5任意之一所述的探测雪崩效应的原位装置的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将探测雪崩效应的原位装置与雪崩效应区连接，雪崩效应区是由金属-绝缘体-半导体或者p型半导体-i型半导体-n型半导体结构组成的雪崩效应器件，探测雪崩效应的原位装置的基底与雪崩效应区的半导体连接，基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致；

2）在雪崩效应区输入电流大小可变的稳恒电流；

3）逐步增加稳恒电流大小，通过探测雪崩效应的原位装置的探测电压表观察电压脉冲现象，该现象即反映出雪崩效应器件的雪崩效应具体放电过程。