CN116169199A - 一种雪崩二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种雪崩二极管，通过引入第三电极，对雪崩区和吸收区的电场的调控，可以增强或减弱吸收区或者雪崩区的电场。具体的，可以增强或者降低吸收区或者雪崩区的电场强度，从而增加光子的吸收效率或者电子的雪崩概率，提升雪崩二极管对光子的探测效率、降低暗电流。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种高性能雪崩二极管。
背景技术
雪崩二极管是一种工作在反向偏置的二极管，其反向偏置电压较大甚至高于雪崩击穿电压。当二极管工作在反向偏压下时，反向偏压越高，耗尽层中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定的程度时(材料不同，电场大小也不一样)，耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新生的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞产生更多的光生电子空穴对，这一过程反复进行，就形成了所谓的雪崩倍增，使入射光信号的输出电流得到放大，这个过程称为雪崩效应。雪崩光电二极管就是利用了雪崩效应，使光电流得到倍增的高灵敏探测器。雪崩电流经过后续电路放大后产生计数脉冲，再由读出电路读出。雪崩光电二极管通常具有高光子探测效率、宽光谱响应范围、极高灵敏度以及低功耗等特性。雪崩二极管的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当雪崩二极管的偏置电压低于其雪崩击穿电压时，对入射光信号起到线性放大作用，这种工作模式称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益越大。当偏置电压高于雪崩击穿电压时，增益迅速增加，此时单个光子即可以使得探测器的输出电流达到饱和，这种工作状态下的雪崩二极管称为盖革模式。
目前使用最多的雪崩二极管材料是硅，硅的带隙为1.12eV，上限截止波长为1100nm。为了对波长更长的波段(如1550nm)进行探测，常采用锗或者铟镓砷等材料。锗或者铟镓砷的带隙更小，在较大的电场强度下容易发生隧穿，因此常采用光吸收层与雪崩层分开的结构。但是，由于SPAD的器件结构和电场设计不足，目前探测率远低于理论水平。针对目前紫外波段(如200-300nm)，采用氧化镓、碳化硅等材料，这些材料的带隙较大，可以吸收紫外波段的光子。
现有技术一般通过增加吸收层厚度来增加光程，提高光子被吸收概率，其一定程度上可以提高探测率，但是这增加了材料的用量，并有可能在体内产生大量缺陷从而影响SPAD的其它性能。
发明内容
本发明雪崩二极管进行了深入研究，发现现有的雪崩二极管中的电场分布限制了器件的性能，在某些位置电场强度较低，导致电子的迁移速度、雪崩概率较低。基于该发现，本发明另辟蹊径，通过电场调控手段，来解决现有雪崩二极管探测率不理想的问题。
具体来说，本发明提供一种雪崩二极管，通过引入第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。通过对电势进行调控，可以使得吸收电子在吸收区中以更大的速度向雪崩区中迁移，并使某些弱电场区中本来无法向雪崩区迁移的电子获得初始速度，从而提升电子向雪崩区迁移的概率。同样可以在雪崩区中提升电场强度，从而提升电子的雪崩概率。
具体的，本发明采用如下技术方案：一种雪崩二极管，作为本领域公知常识，雪崩二极管具有雪崩区和吸收区(包括吸收区所在的第一部件、雪崩区所在的第二部件)，且具有正负两个电极；吸收区是指雪崩二极管吸收光子并转换成电子的区域，雪崩区是指电子在大电场下发生自持雪崩效应的区域。本发明提供的雪崩二极管，除了上述两个正负电极，还具有一第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。通过第三电极对雪崩区和吸收区的电场的调控，可以增强或减弱吸收区或者雪崩区的电场。吸收区需要较小的电场强度，仅使得载流子的迁移增强而不发生雪崩效应，雪崩区的电场强度较大，使得载流子可以发生自持雪崩。通过增加第三电极，可以增强或者降低吸收区或者雪崩区的电场强度，从而增加光子的吸收效率或者电子的雪崩概率。
本发明所述的雪崩二极管，包括但不限于：线性模式雪崩二极管、盖革模式单光子雪崩二极管。
上述第三电极可以设置在如下位置：第一部件表面、第二部件表面、雪崩区内、吸收区内。这里所述的“表面”包括了上下表面和侧面。当设置在第一部件表面，吸收区的电子可以更大的速度向雪崩区中迁移，并使某些弱电场区中本来无法向雪崩区迁移的电子获得初始速度，从而提升电子向雪崩区迁移的概率。当设置在第二部件表面，同样可以在雪崩区中提升电场强度，从而提升电子的雪崩概率；或者降低雪崩区中提升电场强度，使得雪崩过程减弱或者停止。当设置在吸收区或雪崩区内，可以形成阱等结构，调控电子的迁移方向和速度，从而提升雪崩二极管的探测效率。
在本发明某些较为优选的方案中，雪崩区内/吸收区内的第三电极是通过对该区的部分半导体材料进行重掺杂后得到的；通过对雪崩区内/吸收区内中部分区域进行重掺杂，使得该掺杂区域可以和金属变成欧姆接触；从而可以将该重掺杂区域与外部电路部分连接组成闭合回路，实现电场调控。
前述的重掺杂，一般是指掺杂浓度介于1e16～1e23cm-3之间。
所述的吸收区所在的第一部件、雪崩区所在的第二部件可以采用相同材料或不同材料。当使用同种材料时，吸收和雪崩过程发生在同种材料的不同区域；当使用不同材料时，构成异质结，吸收和雪崩过程发生在不同材料中，从而有利于较窄带隙的材料吸收长波长的光，而大带隙材料作为雪崩区。
其中，雪崩区所在的第二部件可以采用硅、磷化铟等半导体材料，吸收区所在的第一部件可以采用锗、锗硅混合物、砷化铟、砷化镓、铟镓砷化合物、锡等半导体材料。
在实际应用中，通过第三电极的引入，不仅能实现电场调控，还可以通过其位置设置，实现如下效果：
(1)对于雪崩二极管阵列，需要在两个雪崩二极管之间放置隔离；将第三电极设置在雪崩二极管侧面时，即可实现隔离；将第三电极与外部电路连通后，也可实现电场调控。雪崩二极管侧面包括了第二部件侧面、第一部件侧面，或者第二部件和第一部件的侧面。
(2)对于表面需要滤光层或者抗反射层的雪崩二极管，可以选用具有滤光作用、抗反射作用的电极设置在雪崩二极管表面，即第三电极可以作为光学层。例如，将具有抗反射层的电极材料设置在第一部件表面，可以降低光子反射率并增加被吸收概率；再例如将具有增加光反射作用的电极材料设置在第二部件底面和侧面以及第一部件的侧面，可以增加光子的反射率从而增加光程和被吸收概率。
(3)对于异质的雪崩二极管，第一部件和第二部件的界面一般存在较多缺陷，当第三电极设置在第一部件和第二部件的界面处，可以减小缺陷面积，从而提高器件性能(比如减少暗电流)作用。
本发明的有益效果在于：本发明通过引入第三电极，对雪崩区和吸收区的电场的调控，可以增强或减弱吸收区或者雪崩区的电场。具体的，可以增强或者降低吸收区或者雪崩区的电场强度，从而增加光子的吸收效率或者电子的雪崩概率，提升雪崩二极管对光子的吸收率、雪崩率，从而提升光子的探测效率、降低暗电流。
附图说明
图1为本发明同质半导体器件结构示意图之一；
图2为本发明异质半导体器件结构示意图之二；
图3为本发明异质半导体器件结构示意图之三；
图4为本发明异质半导体器件结构示意图之四；
图5为本发明异质半导体器件结构示意图之五；
图6为本发明异质半导体器件结构示意图之六；
图7为本发明异质半导体器件结构示意图之七；
图中，正电极1、第一部件2、第二部件3、负电极4、第三电极5、掺杂层6、连接桥7。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例一
本实施例提供一种雪崩二极管(如图1)，包括半导体硅、以及在硅半导体上下两侧的正电极1和负电极4。对上下部分硅进行掺杂形成PN结，其中P型区域掺杂硼原子，浓度约为1e17cm-3，N型区域掺杂砷原子，浓度约为1e17cm-3，使得下方区域形成雪崩区，即构成雪崩区所在的第二部件3，厚度约为1微米，上方区域构成吸收区所在的第一部件2，厚度约为1.5微米。
本实施例中，在上述第二部件侧面设置第三电极5；正电极1和负电极4分别连接读出电路的正负电极，第三电极5与负电极4一同连接至读出电路的负极。
采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过SentaurusDevice模块计算，接通两侧第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，电子触发雪崩的概率可以提升2倍。
实施例二
本实施例提供一种雪崩二极管(如图2)，包括锗层(厚度为1微米)、硅层(厚度为1.5微米)以及正电极1和负电极4；硅和锗均为中性，其中，硅层顶部具有掺杂层6，掺杂元素为硼原子，掺杂浓度为1e17cm-3。由此，硅层内形成雪崩区，构成第二部件3；锗层内形成吸收区，构成第一部件2。
除正负电极外，还含有第三电极5，正电极1和负电极4分别连接读出电路的正负电极，第三电极5与负电极4一同连接至读出电路的负极。
采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，雪崩二极管中电子触发雪崩的概率可以提升1倍。
实施例三
本实施例提供一种雪崩二极管(如图3)，包括锗层(厚度为1微米，面积为100平方微米)、硅层(厚度为1.5微米，面积为100平方微米)以及正电极1和负电极4；硅和锗区域均为中性，硅层内有一掺杂层6调节电场强度，掺杂元素为硼原子，掺杂浓度为1e17cm-3，以形成雪崩区，构成第二部件3，锗层内形成吸收区，构成第一部件2。
本实施例中，锗层和硅层之间通过连接桥7连接，且在连接桥7的外周为第三电极5(环形结构)；连接桥7为直径为1微米高2微米的圆柱体；第三电极5采用金属材质。
采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，吸收区和雪崩区之间的暗电流可以大幅降低，而电子的雪崩概率提升2倍。相比于实施例1及2，由于第三电极5增加了与吸收区和雪崩区的接触面积，可以同时提升吸收区的吸收效率和雪崩区的雪崩概率。
实施例四
本实施例提供一种雪崩二极管(如图4)，包括半导体硅、以及在硅半导体上下两侧的正电极1和负电极4。对硅进行掺杂形成PN结，其中P型区域掺杂硼原子，浓度约为1e17cm-3，N型区域掺杂砷原子，浓度约为1e17cm-3。掺杂后，下方区域形成雪崩区，构成雪崩区所在的第二部件3，厚度约为1微米，上方区域形成吸收区，构成吸收区所在的第一部件2，厚度约为1.5微米。
本实施例中，还对吸收区中部进行重型掺杂(1e23cm-3)，形成环形的导电区域，该导电区域延伸侧壁面，以构成可以连接外电路的环形第三电极5，可以通过调节电压值动态调节区域电势；本实施例中，正电极1和负电极4分别连接读出电路的正负电极，第三电极5与负电极4一同连接至读出电路的负极。
此实施例中，采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，雪崩二极管中电子的被收集并向雪崩区迁移的概率可以提升2倍。
将重型掺杂的浓度降低到1e16cm-3时，雪崩二极管中电子的被收集并向雪崩区迁移的概率依旧提升2倍左右。
实施例五
本实施例提供一种雪崩二极管(如图5)，包括半导体硅、以及在硅半导体上下两侧的正电极1和负电极4。对硅进行掺杂形成PN结，其中P型区域掺杂硼原子，浓度约为1e17cm-3，N型区域掺杂砷原子，浓度约为1e17cm-3。掺杂后，下方区域形成雪崩区，构成雪崩区所在的第二部件3，厚度约为1微米，上方区域形成吸收区，构成吸收区所在的第一部件2，厚度约为1.5微米。
本实施例中，在上述第一部件和第二部件一侧面设置第三电极5，可以作为与周围雪崩二极管的隔离的部件；正电极1和负电极4分别连接读出电路的正负电极，第三电极5与负电极4一同连接至读出电路的负极。
此实施例中，采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，雪崩二极管中电子的雪崩概率可以提升5倍。
实施例六
本实施例提供一种雪崩二极管(如图6)，包括半导体硅、以及在硅半导体上下两侧的正电极1和负电极4。对硅进行掺杂形成PN结，其中P型区域掺杂硼原子，浓度约为1e17cm-3，N型区域掺杂砷原子，浓度约为1e17cm-3。掺杂后，下方区域形成雪崩区，构成雪崩区所在的第二部件3，厚度约为1微米，上方区域形成吸收区，构成吸收区所在的第一部件2，厚度约为1.5微米。
本实施例中，正电极1的面积较小，使得第一部件2上表面具有可以设置两个独立的第三电极5的区域。两个独立的第三电极5与正电极1和负电极4一同连接与读出电路，且两个独立的第三电极5的电势分别通过电阻R1、R2进行调节，从而动态调节区域电势。
此实施例中，采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，雪崩二极管中电子被收集并且触发雪崩的概率可以提升1倍。
实施例七
如图7，本实施例同实施例6，区别在于，第三电极5没有接入到读出电路，而且接入到V2电路中，可以通过调节电压值独立动态调节区域电势。
此实施例中，采用TCAD仿真的手段评估雪崩发生概率，通过Sentaurus Device模块计算,接通第三电极5的情况下，相比于断开第三电极5的情况下，雪崩二极管中电子被收集并且触发雪崩的概率可以提升3倍。
上述实施例六和实施例七中，第三电极5可以采用透明电极，可以避免减少光入射面积；或作为抗反射层，减少光子的反射率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种雪崩二极管，具有正负两个电极，具有雪崩区和吸收区，其特征在于，还包括至少一第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。
2.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，所述雪崩二极管包括：吸收区所在的第一部件，雪崩区所在的第二部件；所述第三电极设置在第一部件表面、第二部件表面、雪崩区内、吸收区内四个位置中的一个或多个位置。
3.根据权利要求2所述的雪崩二极管，其特征在于，所述第三电极是对吸收区或者雪崩区的半导体材料进行掺杂后得到的。
4.根据权利要求3所述的雪崩二极管，其特征在于，掺杂浓度介于1e16～1e23cm-3之间。
5.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，所述的吸收区所在的第一部件、雪崩区所在的第二部件采用相同材料或不同材料。
6.根据权利要求2和权利要求5所述的雪崩二极管，其特征在于，所述的雪崩二极管为红外波段、可见波段、或紫外波段雪崩二极管；所述的雪崩区所在的第二部件采用硅、磷化铟等半导体材料，吸收区所在的第一部件采用锗、锡、锗硅混合物、砷化铟、砷化镓、铟镓砷、氮化镓、氧化镓化合物等半导体材料。
7.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，第三电极位于所述雪崩二极管侧面。
8.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，第三电极为光学层，设置在所述吸收区所在的第一部件或雪崩区所在的第二部件的表面。
9.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，所述的雪崩二极管为线性模式雪崩二极管(APD)，或盖革模式单光子雪崩二极管(SPAD)。
10.根据权利要求1所述的雪崩二极管，其特征在于，所述第三电极与所述正负电极连接至同一读出电路，或连接于另一独立电路。
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Family Applications (1)
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