CN106129169A - 一种半导体光电倍增器件 - Google Patents
一种半导体光电倍增器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106129169A CN106129169A CN201610658704.7A CN201610658704A CN106129169A CN 106129169 A CN106129169 A CN 106129169A CN 201610658704 A CN201610658704 A CN 201610658704A CN 106129169 A CN106129169 A CN 106129169A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- conduction type
- semiconductor
- metal
- transparent
- probe unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 109
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 66
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 66
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 5
- MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N indium;tin;hydrate Chemical group O.[In].[Sn] MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 5
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N indium zinc Chemical compound [Zn].[In] NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 2
- 210000002945 adventitial reticular cell Anatomy 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 206010001513 AIDS related complex Diseases 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000002600 positron emission tomography Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
- H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
- H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
- H01L27/0641—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region without components of the field effect type
- H01L27/0676—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region without components of the field effect type comprising combinations of diodes, or capacitors or resistors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种半导体光电倍增器件，包括多个阵列式并联分布的探测单元，所述探测单元由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管、淬灭电阻和透明电容构成；所述透明电容由两个透明导电极板以及位于透明导电极板之间的透明介质组成；所述透明电容位于雪崩光电二极管光敏面的正上方。本发明通过设置透明电容的方式来降低探测单元以及器件的整体电容，从而改善半导体光电倍增器的时间特性，这不仅可以提高半导体光电倍增器光电信号的转换速度，也可以提高基于半导体光电倍增器的应用系统的符合时间分辨率。透明电容保证了较高的光透过率，位于探测单元光敏面正上方的透明电容并没有使半导体光电探测器损失额外的探测面积，这保证了半导体光电倍增器较高的探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子和微电子领域，特别是涉及一种用于光子探测的半导体光电倍增器件。
背景技术
半导体光电倍增器是一种利用半导体雪崩倍增机制对光子进行探测的新型半导体器件。它是由多个探测单元并联排列而成的阵列式探测结构，所有的探测单元共用一个电极用作信号的输出，其探测单元由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管串联淬灭电阻组成。当光子入射到二极管中被吸收后,便会在雪崩光电二极管的光敏区内产生电子-空穴对。由于雪崩光电二极管的光敏区内存在较高的电场，漂移的电子会通过雪崩倍增的方式在这个高电场中产生大量电子-空穴对，最终导致击穿形成大电流。与雪崩光电二极管串联的淬灭电阻位于二极管附近，它会抑制雪崩光电二极管的雪崩倍增过程并使它逐渐减弱停止。这样，探测单元便对入射光子发生响应，并最终产生出模拟脉冲信号。各探测单元产生的模拟脉冲响应信号叠加后经半导体光电倍增器的信号端输出。相比于传统的真空电子管探测技术，半导体光电倍增器具有诸多优异特性如高内部增益、单光子响应能力和高速时间响应特性，低工作电压以及绝佳的磁场兼容性和良好的机械性能，使其广泛应用于核医学、分析检测、工业监测、国土安全等国民经济的诸多领域，是未来光电探测器的发展方向，具有巨大的应用前景。
在半导体光电倍增器件的应用选型中,器件的探测效率和时间特性是两个需要特别考虑的重要性能参数。探测效率是指光子入射到光电探测器上，经光电探测器的吸收、转化和放大，并最终输出有用的电学信号的概率，通常以探测器探测得到的光子数目与入射的总光子数目之间的比值来表示，它反映了探测器对入射光子的敏感程度。对于半导体光电倍增器而言，探测效率主要与半导体材料的量子效率、发生雪崩倍增的几率以及器件的填充因子有关，可简单表示为:
PDE＝∈(λ)·Pb(V)·F.
式中，PDE为探测效率，∈(λ)为量子效率，Pb(V)表示雪崩倍增几率，F表示填充因子。其中，∈(λ)是与波长相关的物理量，Pb(V)是与工作电压相关的物理量，此二者与具体的应用环境相关。填充因子F是光电探测器探测面上的有效光敏面积与总探测面积的比值。在半导体光电倍增器中，由于各探测单元之间需要相互隔离，且淬灭电阻、金属电极、金属互连线以及其他功能性非探测单元都需要占据一定的探测面积，所以填充因子也在很大程度上决定了光电探测器的探测效率。
半导体光电倍增器的时间特性由两个时间常数来定义，即模拟脉冲信号的上升时间和恢复时间。上升时间定义为雪崩光电二极管结电容的放电时间，通常在几百皮秒至几纳秒量级；恢复时间定义为通过外部电路、淬灭电阻向雪崩光电二极管结电容充电的时间，根据雪崩光电二极管尺寸及淬灭电阻的大小不同通常在几十至几百纳秒量级。半导体光电倍增器输出的模拟脉冲的时间特性对其应用系统的符合时间分辨率有较大的影响，较长的上升时间，会导致较差的符合时间分辨率。在半导体光电倍增器的应用领域如激光测距、时间飞行正电子发射断层成像等系统中，光电信号的转换速度非常重要。而较长的上升时间和恢复时间会严重减缓光电信号的转换速度，给半导体光电倍增器在需要快速输出的应用领域带来巨大的限制。
通常，改善半导体光电倍增器的时间特性的方法是降低雪崩光电二极管的结电容，但需要对二极管的结构及掺杂进行重新的优化设计，这无疑增加了设计的成本，且存在较大的设计风险。一种可行的方案是，采用串联电容的方式来降低探测单元的总体电容，但串联的电容会占据额外的探测面积，使器件的填充因子减小，进而降低器件的探测效率。因此，设计一种简单的实现方式来改善半导体光电倍增器的时间特性，并保证其较高的探测效率，对半导体光电倍增器的发展具有重要意义。
发明内容
本发明旨在解决以上技术问题，而提供一种新型半导体光电倍增器件，用以改善半导体光电倍增器件的时间特性，并同时保持其较高的探测效率。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底之上的第一导电类型的半导体外延层，所述外延层靠近表面处设置有有源区，所述有源区中包含有第二导电类型的半导体区和第一导电类型的半导体欧姆接触区；所述第二导电类型的半导体区与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区相互间隔，所述第二导电类型的半导体区与所述第一导电类型的半导体外延层构成PN结结构；所述PN结结构在器件工作时处于盖革模式；位于所述第一导电类型的半导体外延层之上的第一透明介质层，所述第一透明介质层中设置有电阻层；所述电阻层与所述第二导电类型的半导体区通过金属通孔连接，用于淬灭所述PN结结构的雪崩倍增过程；位于所述第一透明介质层之上的第二透明介质层，所述第二透明介质层中设置有第一金属层和第一透明导电极板；所述第一透明导电极板位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板与所述第二导电类型的半导体区通过金属通孔连接；位于所述第二透明介质层之上的第三透明介质层，所述第三透明介质层中设置有第二金属层和第二透明导电极板；所述第二透明导电极板位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板与第二透明导电极板以及二者之间的透明介质层构成透明电容；位于所述第三透明介质层之上的抗反射涂层，用于减少入射光的反射。
优选的，所述有源区中设置有第二导电类型的半导体保护环结构，所述第二导电类型的半导体保护环结构位于所述第二导电类型的半导体区的外围，并与所述第二导电类型的半导体区相接触；所述第二导电类型的半导体保护环结构的结深大于所述第二导电类型的半导体区的结深；所述第二导电类型的半导体保护环结构的掺杂浓度低于所述第二导电类型的半导体区的掺杂浓度；所述第二导电类型的半导体保护环结构与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区相互间隔。
优选的，所述电阻层为方块电阻大于1KΩ/□的高阻多晶硅电阻层；或厚度小于100nm，方块电阻大于1KΩ/□的高阻金属薄膜电阻层。
优选的，所述第一导电极板和第二导电极板的材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种；所述第一导电极板和第二导电极板的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％。
优选的，所述第一金属层和第二金属层均为透明导电层，其构成材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种，且所述透明导电层的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％。
优选的，所述透明介质层的材料为二氧化硅。
优选的，所述抗反射涂层的材料为氮化硅、氮氧化硅、氮化钛中的一种或几种。
基于上述探测单元，本发明还提供了一种半导体光电倍增器件，包括如前所述的多个探测单元及金属焊盘，其特征在于：所述金属焊盘位于所述第三透明介质层之上，其上表面未被所述抗反射涂层覆盖，且与任一所述PN结结构在纵向上没有交叠；所述多个探测单元共用一个第一导电类型的半导体欧姆接触区，所述第一导电类型的半导体欧姆接触区通过金属通孔与第一金属焊盘相接；所述电阻层未与所述第二导电类型的半导体区相连接的一端通过第一金属层相互互连，并通过金属通孔与第二金属焊盘相接；所述第一焊盘与第二焊盘用作电源输入接口为器件提供偏置电压；所述第二透明导电极板通过第二金属层相互互连，并通过金属通孔与第三金属焊盘相接；所述第三金属焊盘用作信号的输出接口。
优选的，所述探测单元之间设置有光学隔离槽，所述光学隔离槽内填充有阻光材料。
本发明的有益效果是：
1.在半导体光电倍增器探测单元的光敏面上设置透明电容，可以用来降低探测单元以及器件的整体电容，从而改善半导体光电倍增器的时间特性，即减小输出信号的上升时间常数和恢复时间常数。这不仅可以提高半导体光电倍增器光电信号的转换速度，也可以提高基于半导体光电倍增器的应用系统的符合时间分辨率。
2.透明电容保证了较高的光透过率，位于探测单元正上方的额外的电容并没有使半导体光电探测器损失额外的探测面积，这保证了半导体光电探测器较高的探测效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，其中：
图1是本发明提供的半导体雪崩倍增器件的探测单元结构示意图；
图2是本发明提供的带有保护环结构的半导体雪崩倍增器件的探测单元结构示意图；
图3是本发明提供的带有光学隔离槽的半导体雪崩倍增器件结构示意图。
图中，各标号的含义如下：10–半导体衬底；20–第一导电类型的半导体外延层；21–第二导电类型的半导体区；22–第一导电类型的半导体欧姆接触区；23–第二导电类型的半导体保护环结构；24–光学隔离槽；30–第一透明介质层；31–电阻层；40–第二透明介质层；41-第一透明导电极板；42–第一金属层；50–第三透明介质层；51–第二透明导电极板；52–第二金属层；60–抗反射涂层；61–第一金属焊盘；62–第二金属焊盘；63–第三金属焊盘；70–金属通孔。
具体实施方式
如附图1所示，本发明提供的一种半导体雪崩倍增器件的探测单元，包括半导体衬底10；位于所述半导体衬底10之上的第一导电类型的半导体外延层20，所述外延层靠近表面处设置有有源区，所述有源区中包含有第二导电类型的半导体区21和第一导电类型的半导体欧姆接触区22；所述第二导电类型的半导体区21与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区22相互间隔，所述第二导电类型的半导体区21与所述第一导电类型的半导体外延层20构成PN结结构；所述PN结结构在器件工作时处于盖革模式；位于所述第一导电类型的半导体外延层20之上的第一透明介质层30，所述第一透明介质层30中设置有电阻层31；所述电阻层31与所述第二导电类型的半导体区21通过金属通孔70连接，用于淬灭所述PN结结构的雪崩倍增过程；位于所述第一透明介质层30之上的第二透明介质层40，所述第二透明介质层40中设置有第一金属层42和第一透明导电极板41；所述第一透明导电极板41位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板41与所述第二导电类型的半导体区21通过金属通孔70连接；位于所述第二透明介质层40之上的第三透明介质层50，所述第三透明介质层50中设置有第二金属层52和第二透明导电极板51；所述第二透明导电极板51位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板41与第二透明导电极板51以及二者之间的透明介质层构成透明电容；位于所述第三透明介质层50之上的抗反射涂层60，用于减少入射光的反射。
本实施例是通过采用外加电容的方式来减小探测单元的总体电容的。由于引入的电容为透明电容，保证了入射光具有较高的透射率，因而不会降低入射光的入射损失；同时，由于该透明电容位于探测单元的正上方，并没有占据额外的探测面积，因而不会减小半导体雪崩光电探测器的填充因子。上述两方面的原因保证了本发明所提出的半导体雪崩光电探测器可以在改善器件时间性能的前提下而不损失其高探测效率。
如附图2所示，为了进一步优化半导体光电倍增器的性能参数，本发明还提供了一种带有保护环结构的探测单元。具体设置为：所述有源区中设置有第二导电类型的半导体保护环结构23，所述第二导电类型的半导体保护环结构23位于所述第二导电类型的半导体区21的外围，并与所述第二导电类型的半导体区21相接触；所述第二导电类型的半导体保护环结构23的结深大于所述第二导电类型的半导体区21的结深；所述第二导电类型的半导体保护环结构23的掺杂浓度低于所述第二导电类型的半导体区21的掺杂浓度；所述第二导电类型的半导体保护环结构23与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区22相互间隔。所设置的第二导电类型的半导体保护环结构23可以使探测单元的PN结结构的体内电场分布更加均匀，均匀的电场分布也可在一定程度上改善探测器的时间特性。
在半导体光电倍增器件中，淬灭电阻的阻值通常在几KΩ到几MΩ之间。高阻值的电阻需要较长的电阻长度，而电阻作为功能性非探测结构会占据一定的探测面积，这会降低器件的填充因子。因此淬灭电阻所占据的面积越小越好。基于此，在本发明中，所述电阻层31设置为方块电阻大于1KΩ/□的高阻多晶硅电阻层；或设置为厚度小于100nm，方块电阻大于1KΩ/□的高阻金属薄膜电阻层。
对于本发明中的透明电容，所述第一导电极板41和第二导电极板51的材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种；所述第一导电极板41和第二导电极板51的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％。
为进一步降低入射光的光损失，所述第一金属层42和第二金属层52均为透明导电层，其构成材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种，且所述透明导电层的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％；所述透明介质层30、40和50的材料为二氧化硅。
进一步的，所述抗反射涂层的材料为氮化硅、氮氧化硅、氮化钛中的一种或几种，用于保证探测器对光具有较高的吸收率。
如附图3所示，本发明还公开了一种半导体光电倍增器件，包括如前所述的多个探测单元及金属焊盘61、62和63，其特征在于：所述金属焊盘61、62和63均位于所述第三透明介质层50之上，其上表面未被所述抗反射涂层60覆盖，且与任一所述PN结结构在纵向上没有交叠；所述多个探测单元共用一个第一导电类型的半导体欧姆接触区22，所述第一导电类型的半导体欧姆接触区22通过金属通孔70与第一金属焊盘61相接；所述电阻层31未与所述第二导电类型的半导体区21相连接的一端通过第一金属层42相互互连，并通过金属通孔70与第二金属62焊盘相接；所述第一焊盘61与第二焊盘62用作电源输入接口为器件提供偏置电压；所述第二透明导电极板51通过第二金属层52相互互连，并通过金属通孔70与第三金属焊盘63相接；所述第三金属焊盘63用作信号的输出接口。
为降低半导体光电倍增器件的光学串扰，进一步提高其性能，所述探测单元之间设置有光学隔离槽24，所述光学隔离槽24内填充有阻光材料。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本发明而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底之上的第一导电类型的半导体外延层，所述外延层靠近表面处设置有有源区，所述有源区中包含有第二导电类型的半导体区和第一导电类型的半导体欧姆接触区；所述第二导电类型的半导体区与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区相互间隔，所述第二导电类型的半导体区与所述第一导电类型的半导体外延层构成PN结结构；所述PN结结构在器件工作时处于盖革模式；
位于所述第一导电类型的半导体外延层之上的第一透明介质层，所述第一透明介质层中设置有电阻层；所述电阻层与所述第二导电类型的半导体区通过金属通孔连接，用于淬灭所述PN结结构的雪崩倍增过程；
位于所述第一透明介质层之上的第二透明介质层，所述第二透明介质层中设置有第一金属层和第一透明导电极板；所述第一透明导电极板位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板与所述第二导电类型的半导体区通过金属通孔连接；
位于所述第二透明介质层之上的第三透明介质层，所述第三透明介质层中设置有第二金属层和第二透明导电极板；所述第二透明导电极板位于所述PN结结构的正上方；所述第一透明导电极板与第二透明导电极板以及二者之间的透明介质层构成透明电容；
位于所述第三透明介质层之上的抗反射涂层，用于减少入射光的反射。
2.根据权利要求1所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述有源区中设置有第二导电类型的半导体保护环结构，所述第二导电类型的半导体保护环结构位于所述第二导电类型的半导体区的外围，并与所述第二导电类型的半导体区相接触；所述第二导电类型的半导体保护环结构的结深大于所述第二导电类型的半导体区的结深；所述第二导电类型的半导体保护环结构的掺杂浓度低于所述第二导电类型的半导体区的掺杂浓度；所述第二导电类型的半导体保护环结构与所述第一导电类型的半导体欧姆接触区相互间隔。
3.根据权利要求1至2任一项所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述电阻层为方块电阻大于1KΩ/□的高阻多晶硅电阻层；或厚度小于100nm，方块电阻大于1KΩ/□的高阻金属薄膜电阻层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述第一导电极板和第二导电极板的材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种；所述第一导电极板和第二导电极板的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层均为透明导电层，其构成材料为氧化铟锡、氧化锌镓、氧化铟锌、掺铝氧化锌、石墨烯、金属纳米材料、复合导电纳米材料中的一种或几种，且所述透明导电层的厚度大于10nm且小于100nm，光透过率大于90％。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述透明介质层的材料为二氧化硅。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种半导体光电倍增器件的探测单元，其特征在于，所述抗反射涂层的材料为氮化硅、氮氧化硅、氮化钛中的一种或几种。
8.一种半导体光电倍增器件，包括如权利要求1至7任一项所述的多个探测单元及金属焊盘，其特征在于：
所述金属焊盘位于所述第三透明介质层之上，其上表面未被所述抗反射涂层覆盖，且与任一所述PN结结构在纵向上没有交叠；
所述多个探测单元共用一个第一导电类型的半导体欧姆接触区，所述第一导电类型的半导体欧姆接触区通过金属通孔与第一金属焊盘相接；
所述电阻层未与所述第二导电类型的半导体区相连接的一端通过第一金属层相互互连，并通过金属通孔与第二金属焊盘相接；所述第一焊盘与第二焊盘用作电源输入接口为器件提供偏置电压；
所述第二透明导电极板通过第二金属层相互互连，并通过金属通孔与第三金属焊盘相接；所述第三金属焊盘用作信号的输出接口。
9.根据权利要求8所述的一种半导体光电倍增器件，其特征在于，所述探测单元之间设置有光学隔离槽，所述光学隔离槽内填充有阻光材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610658704.7A CN106129169A (zh) | 2016-08-12 | 2016-08-12 | 一种半导体光电倍增器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610658704.7A CN106129169A (zh) | 2016-08-12 | 2016-08-12 | 一种半导体光电倍增器件 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106129169A true CN106129169A (zh) | 2016-11-16 |
Family
ID=57258794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610658704.7A Pending CN106129169A (zh) | 2016-08-12 | 2016-08-12 | 一种半导体光电倍增器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106129169A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106981542A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-07-25 | 武汉京邦科技有限公司 | 一种半导体光电倍增器件的制造方法 |
| CN107830939A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-23 | 湖北京邦科技有限公司 | 一种彩色数字硅光电倍增器像素单元 |
| WO2020119200A1 (zh) * | 2018-12-13 | 2020-06-18 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 |
| CN111628033A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-04 | 湖北京邦科技有限公司 | 光电探测装置的制造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5565676A (en) * | 1993-12-27 | 1996-10-15 | Nec Corporation | Method of driving photoelectric conversion device |
| US20030042405A1 (en) * | 2001-09-04 | 2003-03-06 | Worley Eugene Robert | Photo detector methods to reduce the disabling effects of displacement current in opto-couplers |
| CN101258577A (zh) * | 2005-06-10 | 2008-09-03 | 增强技术公司 | 高灵敏度、高分辨率的检测器装置和阵列 |
| US20100148040A1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-06-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof |
| CN206134700U (zh) * | 2016-08-12 | 2017-04-26 | 武汉京邦科技有限公司 | 一种半导体光电倍增器件 |
-
2016
- 2016-08-12 CN CN201610658704.7A patent/CN106129169A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5565676A (en) * | 1993-12-27 | 1996-10-15 | Nec Corporation | Method of driving photoelectric conversion device |
| US20030042405A1 (en) * | 2001-09-04 | 2003-03-06 | Worley Eugene Robert | Photo detector methods to reduce the disabling effects of displacement current in opto-couplers |
| CN101258577A (zh) * | 2005-06-10 | 2008-09-03 | 增强技术公司 | 高灵敏度、高分辨率的检测器装置和阵列 |
| US20100148040A1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-06-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof |
| CN206134700U (zh) * | 2016-08-12 | 2017-04-26 | 武汉京邦科技有限公司 | 一种半导体光电倍增器件 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106981542A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-07-25 | 武汉京邦科技有限公司 | 一种半导体光电倍增器件的制造方法 |
| CN107830939A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-23 | 湖北京邦科技有限公司 | 一种彩色数字硅光电倍增器像素单元 |
| CN107830939B (zh) * | 2017-10-30 | 2019-09-06 | 湖北京邦科技有限公司 | 一种彩色数字硅光电倍增器像素单元 |
| WO2020119200A1 (zh) * | 2018-12-13 | 2020-06-18 | 深圳市灵明光子科技有限公司 | 单光子雪崩二极管及制作方法、探测器阵列、图像传感器 |
| CN111628033A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-04 | 湖北京邦科技有限公司 | 光电探测装置的制造方法 |
| CN111628033B (zh) * | 2020-05-28 | 2023-10-10 | 湖北京邦科技有限公司 | 光电探测装置的制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108281554B (zh) | 一种量子点结构光电探测器及其制备方法 | |
| CN101484999B (zh) | 光电二极管阵列 | |
| CN109638092A (zh) | 基于标准cmos工艺的高探测效率低暗计数的spad | |
| KR20120075971A (ko) | 적층형 포토다이오드 및 그 제조방법 | |
| CN106129169A (zh) | 一种半导体光电倍增器件 | |
| KR102523974B1 (ko) | 전하 배리어층을 포함한 광전 소자 | |
| CN104362198B (zh) | 透明电极栅控横向pin蓝紫光探测器及其制备方法 | |
| CN105283964B (zh) | 高速光探测器 | |
| Wang et al. | Emerging Single‐Photon Detectors Based on Low‐Dimensional Materials | |
| CN112909116B (zh) | 一种基于介电层响应的场效应管光电探测器 | |
| JP6524353B2 (ja) | アバランシェ光検出器 | |
| US20140159180A1 (en) | Semiconductor resistor structure and semiconductor photomultiplier device | |
| CN103904152A (zh) | 光电探测器及其制造方法和辐射探测器 | |
| CN107275433B (zh) | 一种新型半导体光电倍增器件 | |
| CN206134700U (zh) | 一种半导体光电倍增器件 | |
| CN105870174A (zh) | 双栅极光电薄膜晶体管的光栅极复合膜结构及薄膜晶体管 | |
| KR20090129123A (ko) | 광검출 효율이 향상된 실리콘 광전자 증배관 및 이를포함하는 감마선 검출기 | |
| US9209335B2 (en) | Solar cell system | |
| KR20120063323A (ko) | 실리콘 포토멀티플라이어 및 그 제조 방법 | |
| CN106981542A (zh) | 一种半导体光电倍增器件的制造方法 | |
| US4140909A (en) | Radiation detector | |
| US4101924A (en) | Semiconductor radiation detector | |
| CN102610669B (zh) | 太阳能电池 | |
| CN206116433U (zh) | 一种光电探测器及光电探测装置 | |
| RU2185689C2 (ru) | Лавинный фотоприемник (варианты) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: G2-2011, Wuhan New Energy Research Institute Building, No. 999 Gaoxin Avenue, Wuhan Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430075 Applicant after: Wuhan Ruiguang Technology Co.,Ltd. Address before: 430074 Hongtao K E-Commerce Office, No. 58 Guanggu Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, No. 189 (Y) Applicant before: WUHAN JINGBANG TECHNOLOGY CO.,LTD. Country or region before: China |