CN107342338A - 一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法，所述探测器的每个器件单元从上至下依次包括SiO2层、P‑well或N‑well、衬底和背面电极；其中，所述SiO2层的中心设置有CE电极，SiO2层下方的所述P‑well或N‑well内沿P‑well或N‑well的周向设置有若干个漂移环；SiO2层的外围周向设置有接地环GND。本申请采用宽禁带半导体材料来制作，雪崩区与光子收集区域分开，雪崩结区较小，能制作出比较低雪崩电压的器件；同时全耗尽的P‑Well区能减少载流子的复合；同时在雪崩倍增高场区域比较小的同时保证大面积的光探测区域，提高了量子效率；减小雪崩区域的面积，有助于减小暗电流和暗激发，同时对于晶片质量和缺陷的容忍度提高，防止了大面积雪崩倍增高场区在缺陷位置的提前击穿。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法。
背景技术
雪崩光电二极管探测器(APD)，应用于弱光探测。而用第三代宽禁带半导体如碳化硅等材料制作的具有“日盲”特性的紫外光探测器，可在高温下工作而不需要昂贵笨重的制冷系统，抗辐射，具有高的近紫外响应。因其在航天，天文探测及军事方面的卓越特性，一直是研究热点。相比于传统的光电倍增管，紫外APD具有单光子响应、增益较大、对磁场不敏感、制作工艺简单、成本低、体积小易于CMOS工艺集成、工作电压低、比较安全等优点，近年来得到了迅速发展。紫外APD在高能物理探测、射线探测、生物医学、量子通信以及其他弱光探测领域的应用都是当今研究的热点。
但是，由于目前紫外APD技术发展还不成熟，还有很多缺点，如探测效率低，对远紫外光不敏感，暗电流大，信噪比低等缺点，限制了紫外APD的实际应用。新的器件结构设计和工艺改进正在积极地探索中。紫外APD由雪崩倍增结区和吸收漂移区组成。现有的紫外APD探测效率低主要是由于其雪崩区面积大，暗激发和暗电流噪声大，信噪比低。由于时间相关性测量以及器件工作性能的要求，单元输出电容不能太大，暗计数和漏电流越低越好，即要求雪崩区的面积不能太大。
针对上述问题，本发明的目的是提出一种新型的雪崩探测器单元结构：具有多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，以下简称为MDR-ADD(Multi Drift Rings AvalancheDrift Detector)。它既可以作为APD的基本探测单元而大规模集成，也可以制作成大面积的单元探测器。MDR-ADD的基本结构是以大面积P-WELL耗尽沟道吸收区结构和侧向多个漂移环以及衬底构成的反偏PN结共同形成的漂移区作为光探测的有源区并在其中形成一条光生载流子(空穴或电子)能谷漂移通道，以多个漂移环结构在通道中产生成较均匀的侧向漂移电场，而以位于单元中心的点状雪崩二极管作为光生载流子(空穴或电子)的收集区。没有文献报道或实际应用这种结构用于碳化硅紫外探测器。
MDR-ADD结构用于制作单元大面积探测器时，雪崩区与光子收集区域分开，雪崩结区较小，能制作出比较低雪崩电压的器件；同时在雪崩倍增高场区域比较小的同时保证大面积的光探测区域，提高了量子效率；减小雪崩区域的面积，有助于减小暗电流和暗激发，同时对于晶片质量和缺陷的容忍度提高，防止了大面积雪崩倍增高场区在缺陷位置的提前击穿。器件的有源区全耗尽，减小了光生载流子的复合，提高了探测效率；同时其输出电容比传统大面积雪崩结APD小，其电子学噪声一般小于具有同样通光窗口面积和光吸收区厚度的常规雪崩光电二极管；小的电容也能提高器件的频率响应。适合于对穿透深度较浅的软X射线及紫外光的探测。在核医学成像、高能物理，天文探测等领域具有广泛的应用前景。
应用于多单元集成时，采用MDR-ADD结构的紫外光探测器可以方便的解决单元面积与输出电容要求之间的矛盾，可以在保持低的输出电容的同时提供很高的填充因子(大于70％)和探测效率。同时，由于采用很小面积的点状雪崩区，高场区面积大大减小，可以有效减小漏电流和暗记数(相比于相同有效探测面积的器件)。MDR-ADD采用正面入射方式，入射面电极可以采用透明导体，例如氧化铟锡(ITO)膜作为电极材料，有效减小电极对光的遮挡和吸收。对远紫外光到近紫外光波段都敏感。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其有效解决了现有技术中存在的问题。本发明的另一目的在于提供一种使用本发明的探测器进行探测的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，所述探测器的每个器件单元从上至下依次包括SiO2层、P-well或N-well、衬底和背面电极；其中，所述SiO2层的中心设置有CE电极，SiO2层下方的所述P-well或N-well内沿P-well或N-well的周向设置有若干个漂移环；SiO2层的外围周向设置有接地环GND。
进一步，所述CE电极由P+N或N+P构成的点状雪崩二极管结构构成。
进一步，所述探测器宽禁带半导体材料制成，所述宽禁带半导体材料的厚度为0.05毫米-0.5毫米；。
进一步，所述探测器由N型或P型碳化硅单晶片制成。
进一步，所述P-well或N-well由离子注入或外延工艺制成，深度为0.1微米－10微米。
进一步，所述CE电极由金属电极或透明导电膜制成。
进一步，所述透明导电膜为氧化铟锡膜，其厚度为10纳米－10微米。
一种使用多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器进行探测的方法，所述方法为：所述CE电极加负偏压到雪崩击穿电压以上，在空穴漂移到雪崩区后引发雪崩信号；所述背面电极相对于GND加正偏压，使所述P-well或N-well全耗尽并在P-well或N-well中形成一条空穴电势能谷，同时多个所述漂移环构成横向漂移电场分布沟道，形成侧向的均匀漂移电场；被测光信号从所述探测器的正面入射进入器件，在耗尽区中产生电子-空穴对，电子被排斥进入衬底，而空穴被集中于漂移通道中并在漂移环所产生的侧向电场下漂移至器件中心的雪崩区，在雪崩区发生电离碰撞倍增而被放大或产生雪崩信号。
进一步，所述被测光信号指紫外光或X光。
本发明具有以下有益技术效果：
本申请采用宽禁带半导体材料来制作，雪崩区与光子收集区域分开，雪崩结区较小，能制作出比较低雪崩电压的器件；同时全耗尽的P-Well区能减少载流子的复合；同时在雪崩倍增高场区域比较小的同时保证大面积的光探测区域，提高了量子效率；减小雪崩区域的面积，有助于减小暗电流和暗激发，同时对于晶片质量和缺陷的容忍度提高，防止了大面积雪崩倍增高场区在缺陷位置的提前击穿。器件的有源区全耗尽，减小了光生载流子的复合，提高了探测效率；同时其输出电容比传统大面积雪崩结APD小，其电子学噪声一般小于具有同样通光窗口面积和光吸收区厚度的常规雪崩光电二极管；小的电容也能提高器件的频率响应。MDR-ADD采用正面入射方式，入射面所有电极均可采用透明导电膜制作，例如氧化铟锡(ITO)膜作为电极材料，有效减小电极的阻挡和对光的吸收。全耗尽的有源区可深达几微米到几十微米，对近紫外到X光波段都敏感，适合于对穿透深度较浅的软X射线及可见光的探测，在航天、火箭技术、军事、生物医学、高能物理等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器的单个器件的结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图1所示，本发明提供了一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，该探测器的每个器件单元从上至下依次包括SiO2层1、P-well或N-well 2、衬底3和背面电极4；其中，所述SiO2层1的中心设置有CE电极5，SiO2层1下方的P-well或N-well 2内沿P-well或N-well 2的周向设置有若干个漂移环6；SiO2层1的外围周向设置有接地环GND 7。
CE电极5由P+N或N+P构成的点状雪崩二极管结构构成；全耗尽的P-well或N-well及接地环和漂移环构成全耗尽漂移区；P-well或N-well与衬底构成掩埋pn结，工作时加反向偏压将有源区全耗尽；掩埋反偏PN结构以及多个漂移环构成的分压结构形成漂移电场。
探测器宽禁带半导体材料制成，如N型或P型碳化硅单晶片；宽禁带半导体材料的厚度为0.05毫米-0.5毫米。
P-well或N-well 2由离子注入或外延工艺制成，深度为0.1微米－10微米。
CE电极5由金属电极或透明导电膜制成。透明导电膜为氧化铟锡膜，其厚度为10纳米－10微米。
本发明的MDR-ADD探测器可以是由全耗尽P-WELL结构，点状雪崩二极管结构，漂移沟道结构，n-p-n基本结构或p-n-p基本结构构造出的分立的或集成在同一芯片上的阵列或其它变种形式的结构。
本发明还提供了一种使用多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器进行探测的方法，该方法为：CE电极加负偏压到雪崩击穿电压以上，在空穴漂移到雪崩区后引发雪崩信号；背面电极相对于GND加正偏压，使P-well或N-well全耗尽并在P-well或N-well中形成一条空穴电势能谷(使光生空穴集中于能谷中以减小复合损失)，同时多个漂移环构成横向漂移电场分布沟道，形成侧向的均匀漂移电场；被测光信号从所述探测器的正面入射进入器件，在耗尽区中产生电子-空穴对，电子被排斥进入衬底，而空穴被集中于漂移通道中并在漂移环所产生的侧向电场下漂移至器件中心的雪崩区，在雪崩区发生电离碰撞倍增而被放大或产生雪崩信号。
被测光信号指紫外光(波长范围是0.2－1.1微米)或X光(能量范围是1－20keV)。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述探测器的每个器件单元从上至下依次包括SiO2层、P-well或N-well、衬底和背面电极；其中，所述SiO2层的中心设置有CE电极，SiO2层下方的所述P-well或N-well内沿P-well或N-well的周向设置有若干个漂移环；SiO2层的外围周向设置有接地环GND。
2.根据权利要求1所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述CE电极由P+N或N+P构成的点状雪崩二极管结构构成。
3.根据权利要求1所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述探测器宽禁带半导体材料制成，所述宽禁带半导体材料的厚度为0.05毫米－0.5毫米。
4.根据权利要求3所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述探测器由N型或P型碳化硅单晶片制成。
5.根据权利要求1所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述P-well或N-well由离子注入或外延工艺制成，深度为0.1微米－10微米。
6.根据权利要求1所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述CE电极由金属电极或透明导电膜制成。
7.根据权利要求6所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其特征在于，所述透明导电膜为氧化铟锡膜，其厚度为10纳米－10微米。
8.一种使用权利要求1-7任一所述的多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器进行探测的方法，其特征在于，所述方法为：所述CE电极加负偏压到雪崩击穿电压以上，在空穴漂移到雪崩区后引发雪崩信号；所述背面电极相对于GND加正偏压，使所述P-well或N-well全耗尽并在P-well或N-well中形成一条空穴电势能谷，同时多个所述漂移环构成横向漂移电场分布沟道，形成侧向的均匀漂移电场；被测光信号从所述探测器的正面入射进入器件，在耗尽区中产生电子-空穴对，电子被排斥进入衬底，而空穴被集中于漂移通道中并在漂移环所产生的侧向电场下漂移至器件中心的雪崩区，在雪崩区发生电离碰撞倍增而被放大或产生雪崩信号。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述被测光信号指紫外光或X光。
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