JP2004193615A - 苛酷な環境で使用するためのアバランシェ・フォトダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、油井掘さく用途で使用するためのアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）素子に関する。
【解決手段】 ＡＰＤは、第１のドーパントを有する基板１１０と、基板の上に置かれた、第１のドーパントを有する第１の層１１１と、第１の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第２の層１１２と、第２の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第３の層１１４と、ＡＰＤの表面上に電気的パッシベーションをもたらすためのパッシベーション層１１６、１２２と、第３の層の上に置かれた、可動イオン移動を制限するためのケイ酸燐ガラス１２４と、第１の電極が基板の下に置かれ、また第２の電極が第３の層の上に置かれた、オームコンタクトを形成するための一対の金属電極１１８、１２０とを含み、ＡＰＤは、傾斜メサ形状を形成する第１の側壁と第２の側壁とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にアバランシェ・フォトダイオードに関し、より具体的には、油井掘さく用途のような苛酷な環境で使用するための、炭化ケイ素（ＳｉＣ）材料又は窒化ガリウム（ＧａＮ）材料を含むアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。
近年、油井掘さく業界において、ガンマ線の検出に対する必要性が存在する。地下の水素（Ｈ）含有化合物から反射された高エネルギーのガンマ線は、石油を有する可能性のある特定の場所を示す場合がある。そのような放射線を検出することができる小型で堅牢なセンサは、衝撃レベルが２５０重力加速度（Ｇ）近くでありかつ温度が摂氏（Ｃ）１５０度に達するか又はそれを超えるような苛酷な地下の下方穴の環境に不可欠であり、非常に切望されている。
幾つかの現行技術では、光電子倍増管（ＰＭＴ）を利用して、低レベルの紫外（ＵＶ）光信号を読み取り可能なレベルの電子信号に変換する。しかしながら、ＰＭＴは、負の温度係数を有する。従って、ＰＭＴは、温度が上昇するにつれて感度が悪くなる。ＰＭＴはまた、振動レベルが高い場合には壊れ易くかつ故障しがちである。ある種の用途（例えば、ＰＭＴが〜５０％までの信号を受けることになるような１５０℃における）において、ＰＭＴの寿命は、極端に短くなり、それによって、それらを使用するコストを急激に増大させることになる。ＰＭＴが直面する別の問題には、正確な信号検出を著しく困難にする高い雑音レベルが含まれる。
ＡＰＤは、逆電圧を印加することによって機能する内部利得メカニズムを利用している高速、高感度のフォトダイオードである。ＰＩＮフォトダイオードと比べて、ＡＰＤは、より低レベルの光さえも測定することができ、高感度を必要とする広範囲の用途で使用される。ＡＰＤにおいては、そのイオン化係数比が極めて大きいために、シリコンを使用することができ、このイオン化係数比が極めて大きいことが、高利得帯域幅積をもたらし、過剰雑音を極めて低くする。しかしながら、シリコンは、特に光ファイバ及び自由空間光通信波長が１．３ミクロン乃至１．５ミクロンの下では、極めて低い吸収係数を有する。ＡＰＤ内の倍増領域にシリコンを使用する利点は、高イオン化係数比によるものであり、この高イオン化係数比により、感度がより高くなり、利得帯域幅積がより高くなり、雑音がより低くなり、また温度及び電圧安定性がより高くなる。
その他の従来型のＡＰＤは、小さなイオン化係数比によって性能が制限される近赤外ひ化インジウム・ガリウム／燐化インジウム（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ）ＡＰＤを含む場合があり、これは結果として、低利得帯域幅積及び高過剰雑音をもたらす。より短い波長においては、高感度と高利得帯域幅積とを必要とするような用途において、シリコン（Ｓｉ）ＡＰＤが広範囲にわたって使用される。
逆に、シリコンは、高温及び高振動環境の下では良好に機能しない傾向にある。シリコンは、多くの用途においてその使用及び実装の容易さを妨げる固有の欠点を有する。より具体的には、Ｓｉベースの素子は、苛酷な環境又は摂氏１５０度を超える温度に曝された場合、非常に劣化を受けやすい。ＳｉベースのＡＰＤの良好な動作を可能にするためには、複雑で高価な冷却システム及びパッケージを必要とし、このことが、苛酷な環境の用途にいてそれらが広範囲に使用されるのを制限する。
現行のシステム及び技術においては、これら及びその他の欠点が存在する。
本発明の例示的な態様によると、紫外線光子を検出するためのアバランシェ・フォトダイオードは、第１のドーパントを有する基板と、基板の上に置かれた、第１のドーパントを有する第１の層と、第１の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第２の層と、第２の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第３の層と、該アバランシェ・フォトダイオードの表面上に電気的パッシベーションをもたらすためのパッシベーション層と、第３の層の上に置かれた、可動イオン移動を制限するためのケイ酸燐ガラスと、第１の電極が基板の下に置かれ、また第２の電極が第３の層の上に置かれた、オームコンタクトを形成するための１対の金属電極とを含み、該アバランシェ・フォトダイオードは、傾斜メサ形状を形成する第１の側壁と第２の側壁とを含み、ほぼ摂氏１５０度に匹敵する温度を含む環境内で動作する。
本発明の別の例示的な態様によると、ガンマ線を検出するための検出システムは、少なくとも1つのガンマ線を受け、少なくとも1つの紫外線を発生させるためのシンチレータ結晶と、該紫外線を検出するためのアバランシェ・フォトダイオードと、シンチレータ結晶からの紫外線をアバランシェ・フォトダイオードに集束させるためのレンズ構造体とを含み、該アバランシェ・フォトダイオードは、第１のドーパントを有する基板と、基板の上に置かれた、第１のドーパントを有する第１の層と、第１の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第２の層と、第２の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第３の層と、該アバランシェ・フォトダイオードの表面上に電気的パッシベーションをもたらすためのパッシベーション層と、第３の層の上に置かれた、可動イオン移動を制限するためのケイ酸燐ガラスと、第１の電極が基板の下に置かれ、また第２の電極が第３の層の上に置かれた、オームコンタクトを形成するための１対の金属電極とを含み、該アバランシェ・フォトダイオードは、傾斜メサ形状を形成する第１の側壁と第２の側壁とを含み、ほぼ摂氏１５０度に匹敵する温度を含む環境内で動作する。
本発明の更に別の例示的な態様によると、アレイ構造体は、複数のアバランシェ・フォトダイオードを含み、各アバランシェ・フォトダイオードは、第１のドーパントを有する基板と、基板の上に置かれた、第１のドーパントを有する第１の層と、第１の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第２の層と、第２の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第３の層と、該アバランシェ・フォトダイオードの表面上に電気的パッシベーションをもたらすためのパッシベーション層と、第３の層の上に置かれた、可動イオン移動を制限するためのケイ酸燐ガラスと、第１の電極が基板の下に置かれ、また第２の電極が第３の層の上に置かれた、オームコンタクトを形成するための１対の金属電極とを含み、該アバランシェ・フォトダイオードは、傾斜メサ形状を形成する第１の側壁と第２の側壁とを含み、ほぼ摂氏１５０度に匹敵する温度を含む環境内で動作する。
次ぎに、添付の図面に示すような本発明の例示的な実施形態を参照して、本発明の態様をより詳細に説明する。本発明を好ましい実施形態を参照して以下に説明するが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。本明細書の教示に接する当業者は、付加的な設計、修正及び実施形態、更には他の使用分野に気付くであろうが、それらは、本明細書において開示しまた特許請求した本発明の技術的範囲内に含まれるものであり、またそれらに対して本発明が極めて有用である筈である。
本発明のより完全な理解を助けるために、ここで添付の図面を参照する。これらの図面は、本発明を限定するものと解釈されてはならず、例示としてのみのものであることを意図している。
本発明の態様は、衝撃レベルが２５０重力加速度（Ｇ）近くであり、及び／又は、温度が１５０℃に達するか又はそれを超えるような苛酷な地下の下方穴の環境における油井掘さく用途で使用するためのアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）素子に関する。本発明の別の態様は、ＳｉＣ材料を使用して製造されたＡＰＤ素子に関する。本発明の更に別の態様は、ＧａＮ材料を使用して製造されたＡＰＤ素子に関する。アバランシェ・フォトダイオードは、電荷担体の累積的倍増により一次光電流が増幅されるようにする逆バイアス電圧で動作するフォトダイオードである。逆バイアス電圧が降伏に向かって増大すると、吸収された光子によって正孔電子対が生成される。アバランシェ（電子雪崩）効果は、正孔電子対が別の正孔及び電子対を生成するのに十分なエネルギーを獲得したときに発生し、それによって信号利得を得る。
特定の品質（例えば、ドーピング及び厚さ）のエピタキシャル層は、素子（例えば、フォトダイオード）の動作特性（例えば、電子雪崩電圧）と共に良好な動作にとって必要不可欠である利得を決定する。ＳｉＣの特定の結晶相である４Ｈにおけるイオン化係数は、正の温度係数を有し、この正の温度係数は、電子雪崩過程におけるイオン化の必要条件により、ＳｉＣフォトダイオードにとって特に魅力的である。４Ｈ ＳｉＣは、広いバンドギャップ（〜３．２ｅＶ）と堅牢な化学的性質とを有する材料である。この材料は、ＵＶ光線を吸収することができる。少なくとも部分的にこの広いバンドギャップにより、本発明の実施形態の素子は、高温下で動作することができる。この素子は更に、ｎ−型エピタキシャル層とｐ−型基板とを介して、ｐ−ｎ接合を使用する。このｐ−ｎ接合が、素子に高逆バイアスが印加されたとき、電子雪崩の位置となることになる。
本発明の別の実施形態によると、ＧａＮベースのＡＰＤが、油井掘さく用途に使用されることができる。ＧａＮは、広いバンドギャップ（３．４ｅＶ）と堅牢な化学的性質とを有する材料である。この材料は、ＵＶ光線を吸収することができる。本発明のＧａＮ ＡＰＤは、基板の上に成長させられた様々なエピタキシャル層を有するサファイア又はバルクＧａＮを含む基板を使用する。このＧａＮ ＡＰＤは、高印加電圧の下でｐ−ｎ接合を利用して、素子の意図された動作点近くで、電子雪崩又は降伏を開始する。このタイプの素子に必要とされる電界は、数ＭＶ／ｃｍのオーダであり、素子内部の空乏領域と大きな外部バイアスとによって可能にされる。
本発明の実施形態によると、素子は、表面パッシベーションをもたらすための二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）パッシベーション層を含むことができる。このＳｉＯ2層はまた、反射防止皮膜としての役割を果たし、それによって、ＡＰＤ素子の光収集効率と全体的な検出効率とを増大させる。更に、そうしなかったならば可動イオンによって影響される電気特性を制御するために、ケイ酸燐ガラス（ＰＳＧ）層を素子上に成長させることができる。例えば、ＰＳＧ層を設けて、可動イオンが素子全体にわたって移動して素子性能を低下させるのを防止することができる。ＳｉＯ2及びＰＳＧの保護層は、表面パッシベーションと可動イオン捕捉とをもたらし、素子寿命を延長しながら、より高速かつより効率的な素子動作を可能にする。更に、金属被覆法を使用して、低抵抗コンタクトを形成することができる。
本発明の実施形態のＡＰＤの目標は、ガンマ線によって励起されたシンチレータ（又は、その他の装置）から低レベルの紫外（ＵＶ）光子を検出する段階と、信号を電気信号に変換する段階とを含む。本発明の実施形態のＡＰＤは、堅牢な材料を必要とする特に苛酷な（例えば、高振動、高温などの）環境で使用することができる。本発明の態様は、材料欠陥に対してその高い感度が求められる場合には実現が更に困難であるｐ−ｎ型素子ではなく、ｎ−ｐ型ＡＰＤに向けられている。本発明のＡＰＤ素子は、ＳｉＣ半導体材料の降伏領域内（例えば、１〜３ＭＶ／ｃｍ）で動作することができる。
図１は、本発明の実施形態によるアバランシェ・フォトダイオード素子１００の断面図の例である。図１は、基板１１０と、第１のエピタキシャル層１１１と、第２のエピタキシャル層１１２と、第３のエピタキシャル層１１４とを有するＡＰＤ素子の断面を示す。濃密にドープされた基板１１０は、素子のアノードを通しての電気コンタクトを形成するのに役立つ。複数のエピタキシャル層は、材料における深さの関数として所望の電界分布を構成するように、基板上に成長させることができる。第１のエピタキシャル層１１１は、ｐ−ｎ接合を形成することに加えて、基板／エピタキシャル層境界面における欠陥を終了させるように作用することができる。第２のエピタキシャル層１１２は、ＵＶ光子の侵入深さを比較的大きくすることを可能にするように作用し、それによって吸収及び担体発生事象に対する確率を増大させることができる。第３のエピタキシャル層１１４は、カソードに対する低抵抗コンタクトを形成することができる。この構成はまた、素子の表面から離れて、ｐ−ｎ接合近くに高電界を閉じ込める働きをすることができ、更に、以下に説明する図３及び図４に示した方法で電界分布を制御することができる。
本発明の実施形態によると、基板１１０は、ｐ−ドープされた４Ｈ ＳｉＣ基板を含むことができ、第１のエピタキシャル層１１１は、ｐ−ドープされた４Ｈ ＳｉＣ層を含むことができ、第２のエピタキシャル層１１２は、ｎ−ドープされた４Ｈ ＳｉＣ層を含むことができ、また第３のエピタキシャル層１１４は、ｎ−ドープされたＳｉＣ層を含むことができる。より具体的には、基板１１０におけるドーパント濃度は、ほぼ５ｅ１８ｃｍ-3とすることができ、第１のエピタキシャル層１１１におけるドーパント濃度は、ほぼ１ｅ１７ｃｍ-3とすることができ、第２のエピタキシャル層１１２におけるドーパント濃度は、ほぼ５ｅ１６ｃｍ-3から６ｅ１６ｃｍ-3とすることができ、また第３のエピタキシャル層１１４におけるドーパント濃度は、ほぼ５ｅ１８ｃｍ-3とすることができる。第１のエピタキシャル層１１１は、ほぼ１．５ミクロンの厚さを有することができ、第２のエピタキシャル層１１２は、ほぼ３ミクロンの厚さを有することができ、また第３のエピタキシャル層１１４は、ほぼ０．４ミクロンの厚さを有することができる。その他の測定値を、同様に使用することもできる。例えば、第１のエピタキシャル層１１１は、０．２から５ミクロン、好ましい範囲は１から２ミクロンの厚さを有することができる。第２のエピタキシャル層１１２は、吸収を促進するような厚さを有することができ、２から１０ミクロン、好ましい範囲は３から５ミクロンの範囲とすることができる。第３のエピタキシャル層１１４は、０．１から２ミクロン、好ましい範囲は０．３から０．８ミクロンの厚さを有することができる。
金属電極１１８及び１２０は、様々な金属の組み合わせを含むことができる。具体的には、金属電極１１８は、カソード端部においてＮｉ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕを含むことができる。金属電極１２０は、アノード端部においてＡｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを含むことができる。薄い金属層を使用して、低抵抗を維持しかつ電界降下を最小にするか又は除去しながら、ｐ及びｎコンタクトの両方に対して電極を形成することができる。オームコンタクトを形成するその他の材料を使用することもできる。パッシベーション層１１６及び１２２は、１００オングストロームから数ミクロン（例えば、ほぼ５ミクロン）の厚さを有することができ、好ましくは１０００オングストロームから２ミクロンの間の厚さを有することができるＳｉＯ2を含むことができる。更に、ＰＳＧ層１２４を使用して、可動イオンが表面近くの材料に損傷を与えるのを防止し、ＵＶの表面反射を減少させることができる。このＰＳＧ層は、ほぼ３００オングストロームから１ミクロンの厚さを有することができる。その他の材料及び厚さの範囲を使用することもできる。
本発明の実施形態によると、基板１１０は、サファイア、バルクＧａＮ、バルクＡｌＮ又はバルクＡｌＧａＮ基板を含むことができる。第１のエピタキシャル層１１１、第２のエピタキシャル層１１２及び第３のエピタキシャル層１１４は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを含み、電子雪崩が発生することになるｐ−ｎ接合を形成することができる。ＡＰＤ素子はまた、光の波長（又は、エネルギー）を制御するために、様々なＡｌ及びＧａ濃度のＡｌＧａＮエピタキシャル層を含むことができる。ＡＰＤ素子はまた、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａ濃度を変化させたＡｌＩｎＧａＮ層の使用を含むことができる。第１のエピタキシャル層１１１は、ほぼ２ミクロンの厚さを有することができ、第２のエピタキシャル層１１２は、ほぼ３ミクロンの厚さを有することができ、また第３のエピタキシャル層１１４は、ほぼ０．４ミクロンの厚さを有することができる。図１に関連して上に説明したように、その他の測定値を同様に使用することができる。ＧａＮ ＡＰＤにおいては、金属電極１１８及び１２０は、様々な金属の組み合わせを含むことができる。具体的には、金属電極１１８は、カソード端部においてＴｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕを含むことができる。金属電極１２０は、アノード端部においてＮｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを含むことができる。薄い金属層を使用して、低抵抗を維持しかつ電界降下を最小にするか又は除去しながら、ｐ及びｎコンタクトの両方に対する電極を形成することができる。オームコンタクトを形成するその他の材料を使用することもできる。パッシベーション層１１６及び１２２は、ＳｉＯ2を含むことができる。更に、随意的なＰＳＧ層１２４を使用して、可動イオンが表面近くの材料に損傷を与えるのを防止し、ＵＶの表面反射を減少させることができる。このＰＳＧ層は、ほぼ５００オングストロームから１ミクロンの厚さを有することができる。その他の材料及び厚さの範囲を使用することもできる。
図２は、本発明の実施形態による、ＡＰＤ素子の傾斜側面構造を備えたＡＰＤにおけるモデル化された電界分布の例である。図２は、位置の関数として電界を示し、電荷が最小になる傾斜端縁における高電界の減少を強調表示している。端縁におけるより低い電界強度は、符号２１４によって示されている。中位の電界２１２に対して電界２１０は、端縁から離れて集中した高電界輪郭を示す。ほぼ２ＭＶ／ｃｍの下で、電界２１０は、そうでなければ半導体が高い表面漏洩を受けることになるような、ＳｉＣの表面から十分に離れた距離（例えば、＞１ミクロン）を維持しながら電子雪崩を可能にするほど十分に高い。従って、ＳｉＯ2層は、メサ構造体の傾斜側壁近くの表面における不十分な電気的結合を不活性化する上で重要である。更に、ＡＰＤ素子のこの傾斜メサ側壁は、メサ端縁近くに現れる電荷量を最小にし、それによって、その周辺領域における電界を低くする。
イオンベースのドライ・エッチング技術を使用して、ＳｉＣ及びＧａＮ材料を処理し、傾斜メサ側壁を生じさせることができる。例えば、フォトレジスト・イオンエッチ工程及び／又はフッ素ベースの化学作用を使用して、ＡＰＤ素子の傾斜側壁メサを形成することができる。傾斜メサ形状は、ＡＰＤ素子の高電界が該素子の中心に閉じ込められるのを可能にし、それによって、領域に応じて電子雪崩メカニズムを調整可能にする。換言すれば、電界閉じ込めのために傾斜メサ側壁を使用することにより、より多い又はより少ない活性領域の異なる大きさに素子を調整することを可能にする。このことは、最高電界を素子の端縁にではなくて、素子内にあるように集中させる上で、特に有利である。
特定のＳｉＣ基板及びエピタキシャル構造は、ほぼ４００から５００Ｖで降伏を生じることができる。具体的には、図１に示す例示的な構造とドーピングとは、ほぼ４００Ｖで降伏する実施形態を示す図３において符号３２０で示すような、半導体全体にわたる電界分布を生じることができる。例えば、降伏（及び電子雪崩）において利用することができるピーク電界は、ほぼ１．０Ｅ６Ｖ／ｃｍ付近で発生することになる。ここで、空乏領域（例えば、高電界が存在する領域）はほぼ５ミクロンの間に延びているので、そのピーク電界に到達するためのバイアスは、ほぼ４００Ｖとすることができる。
図３は、本発明の実施形態によるアバランシェ・フォトダイオード素子におけるモデル化された電界分布の断面の例である。モデルの中心を垂直方向に通るカットラインにおける電界強度のプロットは、符号３１０によって示され、素子内部の傾斜端縁に沿ったプロットは符号３２０によって示され、また端縁を覆っている酸化物領域における傾斜端縁に沿ったプロットは、符号３３０によって示されている。最高電界は、垂直カットライン３１０に沿っており、それはほぼ３．０Ｅ６Ｖ／ｃｍにおいてピークになっている。ＳｉＣ電界３２０及び傾斜を覆っている酸化物領域の電界３３０の両方は、ほぼ１．０Ｅ６Ｖ／ｃｍにおいてピークになっている。酸化物領域におけるピーク電界を２から３Ｅ６Ｖ／ｃｍより小さく保つことは、酸化物の信頼性の問題に対して有用であると考えられる。傾斜に沿った経路長さは垂直カットラインよりも長いので、これらの電界プロットは、これらカットに沿ってより長い広がりを有する。
図４は、本発明の実施形態による、ＰＳＧ膜の測定された透過率及び４Ｈ ＳｉＣの計算された透過率の光学データの例である。符号４１０は、空気中でのＰＳＧの測定された透過率を示す。図４に示すように、空気中でのＰＳＧの測定された透過率は、符号４２０で示すような、ＳｉＣから予測されたものである計算値よりも高い。曲線４２０は、４Ｈ ＳｉＣにおける屈折率から求めることができる。図４は、ＰＳＧで被覆された表面が、可動イオンを阻止することに加えて、より高レベルの光吸収をもたらすことを示している。
本発明の実施形態のＡＰＤ素子は、素子端縁においてではなくて、該素子の収集領域にわたって均一にアバランシェ（電子雪崩）を生じる。本発明の正の傾斜接合は、ｐ−ｎ接合の均一平面部分に沿ってではなく、傾斜端縁において電界を引き延ばす。その結果、最高電界と従って電子雪崩動作とは、素子の周辺に沿ってではなく、該素子の活性領域内で発生する。その結果、電子雪崩動作の間に放散された電力は、最も広い可能性領域全体にわたって広がり、それによってホットスポットの形成とそれに関連する信頼性の問題とを回避する。第３のエピタキシャル層１１４は、空乏領域を内部的に操作して、より高い電界が表面に到達するのを防止するように作用することができる。この素子は、高印加電圧下でｐ−ｎ接合を使用して、電気的雪崩（例えば、降伏）を、該素子の意図した動作点近くで開始させる。このタイプの素子の電界は、該素子内部の空乏領域によって支援され、また大きな外部バイアスによって作り出された数ＭＶ／ｃｍのオーダとすることができる。この素子は、ＳｉＣ及びＧａＮ材料と該素子のエピタキシャル層の堅牢な化学的性質の利点を利用して、高温（例えば、１５０℃から２００℃）及び／又は高振動（例えば、２５０Ｇ）の下で動作する。
本発明の別の実施形態によると、分離型吸収・倍増領域（ＳＡＭＲ）素子においては、第１のエピタキシャル層１１１と第２のエピタキシャル層１１２との間に追加の層を組み込むことができ、この追加の層は、ほぼ１．０ミクロンの厚さとほぼ１ｅ１７ｃｍ-3のＮ−ドーパント濃度を有することができる。本発明のこの実施形態は、吸収領域（例えば、第２のエピタキシャル層１１２）から離れてｐ−ｎ接合（例えば、電界が最も高い部位）の周りに中心をもつ状態に倍増領域を保つように機能することができる。このことは、倍増領域における不規則な吸収現象を最小化することによって、素子に観測される雑音を減少させるのを助けることができる。
本発明の実施形態の電子雪崩の態様は、特にメサ側壁の角度に関して付加的な制約をもたらす。ＳｉＣ及びＧａＮ降伏と従って電子雪崩とにおいて大きな電界（例えば、一般的に１〜３ＭＶ／ｃｍ）が必要とされるので、ＡＰＤ素子の端縁から離れて電界を閉じ込めて、表面に発生する電流漏洩を最小にするのが望ましい。傾斜メサは、ほぼ２０から４５度の間の角度で基板と交差する側壁を含むことができる。現在、ＳｉＣ用にウェット及びドライ・エッチ技術があるが、一般的にドライ・エッチ技術の方が、ウェット技術に比較してより再現可能であり、また、より制御可能である。本発明の実施形態によると、ドライ・エッチ技術を使用できる。
ドライ・エッチング技術においては、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用してメサ構造を実現することができる。このエッチ作用は、付加的なプラズマ増強のために標準ＲＩＥチャンバにコイルを追加する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって改善することができる。主として、これは、材料表面近くに付加的なイオンを発生させることを含み、このことが、イオンリッチなプラズマとＲＩＥプラズマよりも空間的に更に均一なプラズマとを生成する。その結果、エッチング制御（例えば、物理的及び化学的な）を改善し、均一性を強化することができる。
マスク材料に対する特別な処理なしで、得られたメサ形状は、選択されたフォトレジスト（ＰＲ）とエッチングに先立ってそれが処理される条件とに依存して、基板の法線からの変位をほぼ０度から１０度とすることができる。
所望の角度を有するメサを作り出すための方法は少なくとも２つある。その方法は、ＰＲのリフロー法とグレースケール・マスキング法とを含むことができる。ＰＲのリフローは、露光に続いてＰＲをハードベーキングして、ＰＲから溶剤をベークアウトすることを可能にし、表面を「溶融状態」にし、それによって、ＰＲの形状を変化させることによって行うことができる。例えば、フォトレジストを使用して、所望のほぼ４ミクロンの目標エッチ深さを達成することができる。このフォトレジストは、ほぼ１０ミクロンよりも大きい厚さの皮膜を形成することができ、それによって、例えばＳｉＣ／ＰＲ選択比を使用して目標エッチ深さを０．５ミクロンほどの低い状態にすることを可能にする。この技術及び得られたＩＣＰエッチの例が、図５に示されており、そこでは、４Ｈ ＳｉＣは、４ミクロンのメサを有する状態で形成されている。
図５は、本発明の実施形態による、傾斜メサ形状の走査型電子顕微鏡写真の例である。具体的には、図５は、ＳｉＣアバランシェ・フォトダイオードのコーナ部の走査型電子顕微鏡写真を示す。これは、フォトレジスト法のリフローを使用して傾斜メサ側壁を実現することができることを示している。
グレースケーリングは、透明度又はグレースケールによって決定されるような幾つかのレベルの露光を実現する方法で現像されたフォトレジスト・マスクの利点を利用する。マスクを通した露光に続き、各領域においてマスクを通して受けた、マスクの透明度によって決定できる光照射量に基づいて、フォトレジストは現像されることができる。従って、レジストは、所望のＰＲ形状を制御可能に実現できるような溶融状態にまで該レジストを加熱することなく、形状化されることができる。この形状は、半導体材料がエッチされるときに、半導体材料内に転写されることができる。グレースケール・マスクは、高度のエッチング制御性と再現性とを提供する。
図６は、本発明の実施形態による、ＡＰＤの製造方法を示すフローチャートである。段階６１０において、基板が準備され、この準備する段階は、例えばバルク基板と複数のエピタキシャル材料とを準備することを含むことができる。段階６１２において、ウエハ構造体が洗浄されることでき、この場合、ウエハ構造体には、段階６１０の基板及びエピタキシャル材料が包含される。段階６１４において、メサのパターニングを行うことができる。メサのパターニングは、段階６１６におけるフォトレジスト・リフロー又は段階６１８におけるグレースケール・マスキングによって形成されることができる。段階６２０において、ＩＣＰエッチングを行って、メサ構造を形成することができる。段階６２２において、パターニングを行うことができる。具体的には、パターニングはフォトリソグラフィ工程と呼ぶことができ、この工程において、フォトレジストは、制御された速度の下でウエハ上に回転吐出され、マスクと位置合わせされ、高エネルギー光に露光され、そして現像される。得られたフォトレジストの特徴は、ほぼ垂直なフォトレジスト特徴形状を有する真直ぐな側壁を含むことができる。段階６２４において、ＩＣＰエッチングを行って、所望の厚さまでメサを薄くすることができる。段階６２６において、ＳｉＯ2の層をメサの表面上に成長させることができる。段階６２８において、このＳｉＯ2層は、所望の形状及び／又は厚さにパターン化され、エッチされることができる。段階６３０において、カソード及びアノードが形成されることができる。このカソード及びアノードの形成は更に、付加的な段階としてパターニング、デポジティング、リフトオフ、アニーリング及び／又はその他の追加段階を含むことができる。段階６３２において、ＰＳＧ層をメサ表面上に成長させることができる。段階６３４において、少なくとも１つのコンタクト（例えば、金コンタクト）を構造体上に成長させることができる。
図７は、本発明の実施形態によるシンチレータ及び検出器の例である。ＳｉＣ及びＧａＮ ＡＰＤ素子の上述の特徴は、ガンマ線放射をＳｉＣ及びＧａＮ ＡＰＤが直接的に可観測なＵＶに変換するシンチレータで使用することができる。ガンマ線をＵＶに変換するシンチレータは、地下の下方穴のリアルタイムでのガンマ線検出に使用することができる。例えば、本発明のＳｉＣ及びＧａＮ ＡＰＤは、ほぼ２５０から４００ｎｍのＵＶ光を検出することができる。
ガンマ線放射を間接的に検出するために、シンチレータ結晶７１０と組み合わせてＡＰＤ７３２を使用することができる。シンチレータ７００は、ガンマ線７３０を受けるためのシンチレータ結晶７１０と、レンズ（又は、レンズ構造体）７１２と、上で詳細に説明したようなＡＰＤ７１４（例えば、ＳｉＣ ＡＰＤ又はＧａＮ ＡＰＤ）と、増幅電子機器７１６とを含むことができる。別の用途及び更なる実施形態において、その他の要素を含むことができる。シンチレータ７００はまた、圧縮プレート７１８と、保護を提供するためのシールド７２０と、ケーブルコネクタ７２２とを含むことができる。別の用途及び更なる実施形態において、その他の外部構造体を設けることができる。
シンチレータ結晶７１０は、ガンマ線７３０を受け、例えば地下の水素（Ｈ）含有化合物からのガンマ線７３０をＵＶ線７３２に変換する。ＵＶ線７３２は、レンズ７１２（又は、その他のレンズ構造体）によって集束され、上で詳細に説明したＳｉＣ ＡＰＤ又はＧａＮ ＡＰＤのようなＡＰＤ７１４によって受けられることができる。増幅電子機器７１６のような付加的な電子機器を使用して、受信したＵＶ信号を増強し、増幅し又は他の方法で処理することができる。これらの構成部品は、例えば油井掘さくのような様々な用途における地下の下方穴に配備するためにチューブ内に組み込まれることができる。図７のシンチレータは、高温（例えば、１５０℃から２００℃）及び／又は高振動（例えば、２５０Ｇ）の下で動作可能な、符号７３２として示すようなＳｉＣアバランシェ・フォトダイオードの堅牢な性質の利点を利用している。
図８は、本発明の実施形態による、単一のＡＰＤの平面図である。破線は、傾斜領域の底部を示す。図８において示すように、パッシベーション層１１６及び１２２は、外部四角形表面を覆っているように示されている。カソード金属１１８は、中央の四角形として示されている。ＰＳＧ層１２４の平面図は、カソード金属１１８と、パッシベーション層１１６及び１２２と間に示されている。図９は、本発明の実施形態によるアレイ構成の例である。ＳｉＣ及びＧａＮ ＡＰＤの上記の特徴は、アレイの構造に一体化して、信号出力と共に光収集を増大させることができる。四角形の構成を示しているが、他の形状及び構成を、本発明の実施形態によるＡＰＤのアレイによって形成することもできる。
本発明は、本明細書に説明した特定の実施形態によって、技術的範囲が限定されるものではない。事実、本明細書に説明した実施形態に加えて、本発明の様々な変更が、前述の説明及び添付の図面から、当業者には明らかであろう。従って、そのような変更は、同時に提出した特許請求の範囲の技術的範囲に含まれることを意図している。更に、本明細書では特定の目的に対する特定の環境における特定の実施に関して、本発明を説明したが、本発明の有用性はそれらに限定されるものではないこと及び本発明はあらゆる数の目的に対するあらゆる数の環境において有利に実施することができることは、当業者には分かるであろう。特許請求の範囲において示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなくて、それらを容易に理解するためのものである。
本発明の実施形態によるアバランシェ・フォトダイオードの断面図の例。 本発明の実施形態による、傾斜側壁構造を備えたＡＰＤにおけるモデル化された電界分布の例。 本発明の実施形態によるアバランシェ・フォトダイオード素子におけるモデル化された電界分布の断面の例。 本発明の実施形態によるＰＳＧ膜の計測された透過率及び４Ｈ ＳｉＣの計算された透過率の光学データの例。 本発明の実施形態による、傾斜メサ形状の走査型電子顕微鏡写真の例。 本発明の実施形態による、ＡＰＤの製造方法を示すフローチャート。 本発明の実施形態によるシンチレータ及び検出器の例。 本発明の実施形態による、単一のＡＰＤの平面図。 本発明の実施形態によるアレイ構成の例。
符号の説明
１００ アバランシェ・フォトダイオード素子
１１０ 基板
１１１ 第１の層
１１２ 第２の層
１１４ 第３の層
１１６、１２２ パッシベーション層
１２４ ケイ酸燐ガラス層
１１８、１２０ 金属電極

Claims (16)

  1. 紫外線光子を検出するためのアバランシェ・フォトダイオードであって、
    第１のドーパントを有する基板（１１０）と、
    前記基板の上に置かれた、第１のドーパントを有する第１の層（１１１）と、
    前記第１の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第２の層（１１２）と、
    前記第２の層の上に置かれた、第２のドーパントを有する第３の層（１１４）と、
    該アバランシェ・フォトダイオードの表面上に電気的パッシベーションをもたらすためのパッシベーション層（１１６、１２２）と、
    前記第３の層の上に置かれた、可動イオン移動を制限するためのケイ酸燐ガラス（１２４）と、
    第１の電極が前記基板の下に置かれ、また第２の電極が前記第３の層の上に置かれた、オームコンタクトを形成するための１対の金属電極（１１８、１２０）と、
    を含み、
    該アバランシェ・フォトダイオードが、傾斜メサ形状を形成する第１の側壁と第２の側壁とを含み、
    該アバランシェ・フォトダイオードが、ほぼ摂氏１５０度に匹敵する温度を含む環境内で動作する、
    ことを特徴とするアバランシェ・フォトダイオード。
  2. 前記第１のドーパントがｐ−型であり、前記第２のドーパントがｎ−型であることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  3. 前記基板が、４Ｈ炭化ケイ素を含み、ほぼ５×１０18ｃｍ-3にドープされていることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  4. 前記第１の層が、炭化ケイ素を含み、ほぼ１×１０17ｃｍ-3にドープされていることを特徴とする、請求項３に記載のフォトダイオード。
  5. 前記第２の層が、炭化ケイ素を含み、ほぼ５×１０16ｃｍ-3にドープされていることを特徴とする、請求項４に記載のフォトダイオード。
  6. 前記第３の層が、炭化ケイ素を含み、ほぼ５×１０18ｃｍ-3にドープされていることを特徴とする、請求項５に記載のフォトダイオード。
  7. 前記傾斜メサ形状を形成する角度が、２０度から６０度の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  8. 前記傾斜メサ形状を形成する角度が、ほぼ２０度であることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  9. 前記基板、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層が、４Ｈポリタイプであることを特徴とする、請求項６に記載のフォトダイオード。
  10. 前記パッシベーション層が、二酸化ケイ素を含み、前記第１の側壁と前記第２の側壁との上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  11. 前記ケイ酸燐ガラス層が、前記第３の炭化ケイ素層の露出部分の上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  12. 該アバランシェ・フォトダイオードが、少なくとも摂氏２００度にほぼ匹敵する温度で動作することを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  13. 前記基板、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層が、窒化ガリウムを含むことを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  14. 該アバランシェ・フォトダイオードが、油井掘さく用途で使用されることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  15. 前記傾斜メサ形状が、フォトレジスト・リフロー法によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
  16. 前記傾斜メサ形状が、グレースケール・マスキング法によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード。
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