CN113224196A - 一种雪崩探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雪崩探测器及其探测方法，所述雪崩探测器，包括：半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极。由于所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置，所以在所述沟槽电极施加负偏压时，器件的电势分布会很均匀，不会有电势死角。并且，当多个所述雪崩探测器形成阵列时，他们之间可以共用沟槽电极，有利于形成雪崩探测器阵列。所以，解决了现有雪崩探测器结构复杂、需要保护环、电场分布不均匀以及形成阵列时死区比例大从而探测效率低的技术问题，实现了易于制造并提高了器件的性能的技术效果。

Description

一种雪崩探测器
技术领域
本发明涉及半导体探测器领域，尤其涉及一种雪崩探测器。
背景技术
近年来，硅探测器，包括PIN光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增管(SiPM)等，已广泛应用于科学研究和几乎所有的高科技仪器，从通信到医学。硅雪崩光电二极管(APD)具有较大的内部增益，在400～1100nm甚至紫外光波段是最快、最灵敏的光学探测器。它广泛应用于科学研究，如探测高能粒子，测量非常微弱的发光和荧光信号。除了在这些科学仪器中扮演关键角色外，它们还是飞行时间(TOF)正电子发射光谱(PET)、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)扫描分析和临床诊断的重要检测设备。APD是激光雷达的关键光学接收器，用于机器人、自动驾驶汽车、高级驾驶辅助系统(ADAS)。雪崩光电二极管(APD)和单光子雪崩二极管(SPADs)是极具吸引力的候选器件，可以克服光电倍增管(PMT)像素数有限、总体尺寸和高工作电压的缺点。但是现有的雪崩探测器存在以下问题：1、结构设计复杂，导致工艺上不易实现。2、雪崩探测器需设计复杂的保护环，然而，保护环对器件性能有干扰。3、电场集中在结电极附近，导致电场分布很不均匀，严重影响了探测器的电荷收集性能。4、现有雪崩探测器形成阵列时，由于各单元之间的隔离设计，使得探测器的有效面积与整体面积比例较低，大大降低探测器阵列的探测效率。
发明内容
本申请实施例通过提供一种雪崩探测器，解决了现有雪崩探测器结构复杂、需要保护环、电场分布不均匀以及形成阵列时死区比例大从而探测效率低的技术问题，实现了易于制造并提高了器件的性能的技术效果。
第一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种雪崩探测器，包括：
半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极；
其中，所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置。
可选的，包括：所述柱状电极的掺杂浓度和所述沟槽电极的掺杂浓度分别与所述半导体基体的掺杂浓度的比值均大于等于107且小于1010；所述柱状电极的掺杂浓度与所述沟槽电极的掺杂浓度的比值大于等于1且小于102。
可选的，所述柱状电极的掺杂浓度和所述沟槽电极的掺杂浓度均大于1x109cm-3。
可选的，包括：所述柱状电极的深度与所述柱状电极的宽度的比值为1-50；所述沟槽电极槽的深度与所述沟槽电极槽的宽度的比值为1-50。
可选的，所述半导体基体为超纯高阻硅，且厚度为100-400微米。
可选的，包括：所述半导体基体为外延硅；所述柱状电极和所述沟槽电极在所述半导体基体的外延层中，且所述外延层厚度为10-50微米。
可选的，包括：所述半导体基体为绝缘体上硅；所述柱状电极和所述沟槽电极在所述半导体基体的顶硅层中，且所述顶硅层的厚度为100纳米-50微米。
可选的，包括：所述沟槽电极的横截面为圆形或等边多边形。
可选的，所述半导体基体的材料为硅、氧化硅、Ge、GaN、SiC、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。
第二方面，本申请通过本申请的一实施例，提供如下技术方案：
一种探测方法，所述方法应用于所述第一方面任一所述的雪崩探测器，所述方法，包括：
将所述雪崩探测器的沟槽电极施加负偏压；
若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第一阈值电压的90％且小于等于所述第一阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为二极管电路；若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第二阈值电压的90％且小于等于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为雪崩光电二极管；若所述雪崩探测器偏置电压大于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为单光子雪崩二极管；其中，所述第一阈值电压为所述雪崩探测器的全耗尽电压，所述第二阈值电压为所述雪崩探测器的击穿电压。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例提供了一种雪崩探测器及其探测方法，所述雪崩探测器，包括：半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极；由于所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置，所以在所述沟槽电极施加负偏压时，器件的电势分布会很均匀，不会有电势死角。并且，当多个所述雪崩探测器形成阵列时，他们之间可以共用沟槽电极，有利于形成雪崩探测器阵列。所以，解决了现有雪崩探测器结构复杂、需要保护环、电场分布不均匀以及形成阵列时死区比例大从而探测效率低的技术问题，实现了易于制造并提高了器件的性能的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中雪崩探测器的结构示意图一；
图2为本申请实施例中雪崩探测器的结构示意图二俯视图；
图3为本申请实施例中雪崩探测器的结构示意图三沿AB方向的剖视图；
图4为本申请实施例中一种雪崩探测器的电场分布图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种雪崩探测器，解决了现有雪崩探测器结构复杂、需要保护环、电场分布不均匀以及形成阵列时死区比例大从而探测效率低的技术问题，实现了易于制造并提高了器件的性能的技术效果。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种雪崩探测器，包括：
半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极；
其中，所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例一
如图1、图2和图3所示，提供了一种雪崩探测器，包括：
半导体基体1，所述半导体基体1内有柱状电极2和沟槽电极3；
其中，沟槽电极3环绕柱状电极2的中心轴设置。
在具体实施过程中，可以通过在激光穿孔工艺来制备柱状电极2和沟槽电极。当然，也可以采用深反应离子刻蚀工艺来制作上述电极，本实施例不作限定。其中，柱状电极2和沟槽电极3的深度可以保持一致，可以使电场分布更均匀，有利于电荷收集，从而提高探测器的探测效率。当然，上述两个电极的深度也可以不一致，本实施例不作限定。柱状电极2也可以做的浅而小，可以优化探测器的电容、暗电流、噪声等参数。其中，柱状电极2可以是正方柱，也可以是正三棱柱、正五棱柱、正六棱柱或圆柱，本实施例在此不作限定。。
作为一种可选实施例，柱状电极2的掺杂浓度和沟槽电极3的掺杂浓度分别与半导体基体1的掺杂浓度的比值均大于等于107且小于1010，即两个电极的掺杂浓度与半导体基体1的掺杂浓度均相差7到10个数量级。柱状电极2的掺杂浓度与沟槽电极3的掺杂浓度的比值大于等于1且小于102，即两个电极的掺杂浓度相等或者相差一两个数量级。
在具体实施过程中，中央的柱状电极2的掺杂浓度稍微大于沟槽电极3的掺杂浓度，有利于在中央的柱状电极形成高电场。
作为一种可选实施例，柱状电极2的掺杂浓度和所述沟槽电极的掺杂浓度均大于1x109cm-3，可以减小缺陷能级对载流子的捕获和密度缺陷。
在具体实施过程中，两个电极的掺杂浓度越大越大，半导体基体的掺杂浓度越小越好。
作为一种可选实施例，柱状电极2的深度与柱状电极2的宽度的比值为1-50；沟槽电极槽3的深度与沟槽电极3槽的宽度的比值为1-50。可以同时满足电极深度和宽的需求。其中，柱状电极2的宽度具体为柱状电极横截面的最大宽度，沟槽电极3槽的宽度具体为沟槽电极3所形成的环形沟槽的宽度。举例来讲，若柱状电极2为正棱柱，则其宽度为方柱顶面的边长，若柱状电极2为圆柱，则其宽度为圆柱的直径。
在具体实施过程中，电极的深度越深越好及电极的宽度越窄越好。此外，两个电极的间距越小越好。进而，可以缩小探测器的尺寸，从而，可以灵活的设计器件。可以采用深反应离子刻蚀工艺来制备上述电极，以使电极的深度和厚度比达到50。举例来讲，当电极的深度为50微米时，则电极的宽度为1微米。
作为一种可选实施例，半导体基体1的材料为硅、氧化硅、Ge、GaN、SiC、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。不同的材料和组合制备出的探测器，其性能会有所不同。
举例来讲，当半导体基体1为超纯高阻硅，且厚度为100-400微米时，制备的雪崩探测器对高辐射的光子十分敏感，非常适合非常适用于X射线伽马射线等辐射粒子的探测。
举例来讲，当半导体基体1为外延硅，柱状电极2和沟槽电极3在半导体基体的外延层中，且所述外延层厚度为10-50微米时，制备的雪崩探测器对紫外、可见光、近红外射线的光子十分敏感。
举例来讲，当半导体基体1为绝缘体上硅，柱状电极2和沟槽电极3在半导体基体的顶硅层中，且所述顶硅层的厚度为100纳米-50微米时，制备的雪崩探测器对质子十分敏感，可以用来探测质子。
作为一种可选实施例，雪崩探测器的沟槽电极3的横截面为圆形或等边多边形，分别有不同的优点。沟槽电极3的横截面为等边六边形和圆形时，上电后形成的电场分布均匀、器件没有电压死角，探测时不需要特定的角度，进而实现提高探测效率。沟槽电极3的横截面为等边多边形时，多个相邻的两个雪崩探测器可以共用沟槽电极形成雪崩探测器阵列，节约了材料减少了制备成本。
本实施例还提供了上述雪崩探测器的探测方法，所述方法，包括：
将所述雪崩探测器的沟槽电极施加负偏压；
若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第一阈值电压的90％且小于等于所述第一阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为二极管电路；若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第二阈值电压的90％且小于等于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为雪崩光电二极管；若所述雪崩探测器偏置电压大于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为单光子雪崩二极管；其中，所述第一阈值电压为所述雪崩探测器的全耗尽电压，所述第二阈值电压为所述雪崩探测器的击穿电压。
作为一种可选实施例，如图4所示，当半导体基体为外延硅，柱状电极和沟槽电极在半导体基体的外延层中，且所述外延层厚度为10-50微米时，将所述雪崩探测器的沟槽电极施加负偏压。探测器中央的柱状电极会出现高电场，其电场的大小为4X105V/cm左右，刚好为雪崩击穿电场区间。柱状电极以外的区域的电场为大于1X104V/cm，可以使得载流子达到最大漂移速度。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本申请实施例提供了一种雪崩探测器及其探测方法，所述雪崩探测器，包括：半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极；由于所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置，所以在所述沟槽电极施加负偏压时，器件的电势分布会很均匀，不会有电势死角。并且，当多个所述雪崩探测器形成阵列时，他们之间可以共用沟槽电极，有利于形成雪崩探测器阵列。所以，解决了现有雪崩探测器结构复杂、需要保护环、电场分布不均匀以及形成阵列时死区比例大从而探测效率低的技术问题，实现了易于制造并提高了器件的性能的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种雪崩探测器，其特征在于，包括：
半导体基体，所述半导体基体内有柱状电极和沟槽电极；
其中，所述沟槽电极环绕所述柱状电极的中心轴设置。
2.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，包括：
所述柱状电极的掺杂浓度和所述沟槽电极的掺杂浓度分别与所述半导体基体的掺杂浓度的比值均大于等于107且小于1010；
所述柱状电极的掺杂浓度与所述沟槽电极的掺杂浓度的比值大于等于1且小于102。
3.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，所述柱状电极的掺杂浓度和所述沟槽电极的掺杂浓度均大于1x109cm-3。
4.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，包括：
所述柱状电极的深度与所述柱状电极的宽度的比值为1-50；
所述沟槽电极槽的深度与所述沟槽电极槽的宽度的比值为1-50。
5.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，所述半导体基体为超纯高阻硅，且厚度为100-400微米。
6.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，包括：
所述半导体基体为外延硅；
所述柱状电极和所述沟槽电极在所述半导体基体的外延层中，且所述外延层厚度为10-50微米。
7.如权利要求6所述的雪崩探测器，其特征在于，包括：
所述半导体基体为绝缘体上硅；
所述柱状电极和所述沟槽电极在所述半导体基体的顶硅层中，且所述顶硅层的厚度为100纳米-50微米。
8.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，包括：
所述沟槽电极的横截面为圆形或等边多边形。
9.如权利要求1所述的雪崩探测器，其特征在于，所述半导体基体的材料为硅、氧化硅、Ge、GaN、SiC、HgI2、GaAs、TiBr、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2和AlSb中的一种或多种的组合。
10.一种探测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-8任一所述的雪崩探测器，所述方法，包括：
将所述雪崩探测器的沟槽电极施加负偏压；
若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第一阈值电压的90％且小于等于所述第一阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为二极管电路；若所述雪崩探测器偏置电压大于等于第二阈值电压的90％且小于等于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为雪崩光电二极管；若所述雪崩探测器偏置电压大于所述第二阈值电压的110％，则所述雪崩探测器在电路中等效为单光子雪崩二极管；其中，所述第一阈值电压为所述雪崩探测器的全耗尽电压，所述第二阈值电压为所述雪崩探测器的击穿电压。
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