專利名稱：硅光電倍增器(變型)及硅光電倍增器單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體器件領(lǐng)域，尤其涉及高效率光發(fā)射檢測的檢測器，該光發(fā)射包括可見光譜部分，本發(fā)明可用于核技術(shù)和激光技術(shù)，以及用于工業(yè)和醫(yī)學斷層攝影術(shù)等。
背景技術(shù)：
單光子檢測的裝置是眾所周知的[“Avalanche photodiodes andquenching circuits for single-photon detection”，S.Cova，M.Ghioni，A.Lacaita，C.Samori and F.Zappa，APPLIED OPTICS，Vol.35 No.12，20 April 1996]，已知的裝置包括硅基片，和在該基片上制作的外延層，所述外延層在表面上有一個導電型的小(10-200微米)區(qū)域(單元)，該導電型是與給定層導電型相反。給這個單元提供大于擊穿電壓的反向偏置。當這個區(qū)域中的光子被吸收時，就發(fā)生Geiger放電，所述放電是受外部衰減電阻的限制。這種單光子檢測器有高的光檢測效率，然而，它有非常小的靈敏區(qū)，而且，它不能測量光通量強度。為了消除這些缺陷，需要使用位于共同基片上的大量(≥103)這種單元，該單元是≥1mm2的正方形。在這種情況下，每個單元的工作如同以上描述的光子檢測器，該裝置的整體檢測與工作單元數(shù)目成正比的光強。
在1997年7月27日出版的RU 2086047 C1中描述的裝置可以作為最新現(xiàn)有技術(shù)的硅光電倍增器。已知裝置包括硅基片，多個單元，其尺寸為20-40微米并位于所述基片表面上的外延層中。一種特殊材料層用作衰減電阻器，這種裝置的缺陷是如下所述●由于光在電阻層中被吸收，它可以降低短波光檢測效率；●由于靈敏區(qū)的很小深度，它沒有足夠高的長波光檢測效率；
●相鄰單元之間光連接可能導致這樣的情況，當一個單元工作時，二次光子出現(xiàn)在Geiger放電中，所述光子可以起動相鄰單元的激勵(發(fā)光)。由于這種光子的數(shù)目是與放大系數(shù)成正比，這個現(xiàn)象限制該裝置的放大系數(shù)，效率，和單電子分辨率。此外，光學連接產(chǎn)生多余的噪聲因素，它使理想的泊松統(tǒng)計特征和記錄少量光子的能力退化。
●電阻層涂敷的技術(shù)復雜性。
由于增大的單元靈敏度，該技術(shù)效應(yīng)可以提高寬帶波長的光檢測效率，其放大系數(shù)高達107，可以實現(xiàn)高的單電子分辨率，和抑制多余的噪聲因素。
制作在薄外延層上單個單元結(jié)構(gòu)(尺寸約為20微米)在約1微米深的耗盡層中提供均勻的電場，這在最新現(xiàn)有技術(shù)的硅光電倍增器單元中是可接受的。該單元結(jié)構(gòu)提供低的工作電壓(M.Ghioni，S.Cova，C.Samori，G.Ripamonti“New epitaxial diode forsingle-photon timing at room temperature”，Electronics Letters，24，No.24(1998)1476)。已知單元的缺陷是沒有足夠高的光譜長波部分(≥450微米)的檢測效率。
由于增大的單元靈敏度，該技術(shù)效應(yīng)可以提高寬帶波長的檢測效率，實現(xiàn)高的單電子分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
研究兩個實施例的硅光電倍增器和硅光電倍增器單元的結(jié)構(gòu)。
我們得到的技術(shù)效應(yīng)(第一個實施例)是借助于一種硅光電倍增器，包括摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型基片，該倍增器是由互相獨立的相同單元構(gòu)成，每個單元包含生長在基片上的p導電型外延層，所述外延層的摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3的范圍內(nèi)逐漸變化；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，所述n+導電型層形成p-n邊界的施主部分，多晶硅電阻是在每個單元的二氧化硅層上，所述多晶硅電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設(shè)置在各個單元之間。
我們得到的技術(shù)效應(yīng)(第二個實施例)是借助于一種硅光電倍增器，包括n導電型基片；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的P++導電型層，所述導電型層加在所述n導電型基片上，所述倍增器是由互相獨立的相同單元構(gòu)成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3范圍內(nèi)逐漸變化的p導電型外延層，所述p導電型外延層生長在P++導電型層上；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶硅電阻是在每個單元的二氧化硅層上，所述多晶硅電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔元件設(shè)置在各個單元之間。
在第二個實施例中，使用n導電型基片(它代替在第一個實施例裝置中使用的基片1)，所述基片與各個單元的p導電型層一起形成反向n-p邊界。


圖1表示按照本發(fā)明硅光電倍增器單元的結(jié)構(gòu)。
圖2表示第一個實施例的硅光電倍增器。
圖3表示第二個實施例的硅光電倍增器。
圖4表示按照本發(fā)明的硅光電倍增器單元結(jié)構(gòu)(相反實施例)圖5表示第一個實施例的硅光電倍增器(相反實施例)。
圖6表示第二個實施例的硅光電倍增器(相反實施例)。
具體實施例方式
第一個實施例的硅光電倍增器包括p++導電型基片1，生長在基片1上的外延層2(EPI)，p導電型層3，n+導電型層4，連接導電型層4與電壓分布母線6的多晶硅電阻5，二氧化硅層7，分隔元件10。除了以上指出的元件和連接以外，第二個實施例的硅光電倍增器還包括p++導電型層8和n導電型基片9(代替p++導電型基片1)。
硅光電倍增器單元包括摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3范圍內(nèi)逐漸變化的p導電型外延層2；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層3；形成p-n邊界施主部分的n+層，其摻雜劑濃度是在1018-1020cm-3范圍內(nèi)，多晶硅電阻5是在每個單元的二氧化硅層7上，二氧化硅層7是在外延層的光敏表面上，所述電阻5連接n+層4與電壓分布母線6。
由于在外延層中特別形成的摻雜劑分布梯度輪廓建立的內(nèi)置電場，在這種結(jié)構(gòu)中可以實現(xiàn)寬光譜(300-900nm)的高效率光檢測，以及低的工作電壓和高度均勻的電場。
在從光電倍增器的基片到光敏表面的方向上，抑制外延層中的摻雜劑濃度，所述光敏表面是遠離基片的外延層表面(外延層的光敏表面)。二氧化硅層7加到硅光電倍增器的光敏表面上，即，外延層的光敏表面上。連接n+層4與電壓分布母線6的多晶硅電阻5是在每個單元的二氧化硅層7上。具體執(zhí)行光阻擋功能的分隔元件10設(shè)置在各個單元之間。
外延層(第二個實施例的硅光電倍增器)生長在p++導電型層8上，導電型層8是在導電型基片9上(摻雜劑濃度為1015-1017cm-3)。在p導電型層3與基片9之間制作第二個(相反)n-p邊界，所述邊界可以防止Geiger放電中二次光子產(chǎn)生的光電子穿透進入相鄰單元的靈敏區(qū)。此外，通過非均勻蝕刻有取向<100>的硅，由于在各個單元(例如，它們可以是三角形(V型槽))之間充滿分隔元件(光阻擋層)，可以防止二次Geiger光子穿透進入相鄰單元。
硅光電倍增器包括尺寸約為20-100微米的獨立單元。所有的單元是與鋁母線連接，大于擊穿電壓的相同偏置電壓加到各個單元上，從而可以工作在Geiger模式。當光子到達時，猝熄的Geiger放電是在單元的激活區(qū)中發(fā)展。由于在每個單元中有多晶硅電阻5(限流電阻)，當p-n邊界上的電壓下降時，電荷載流子數(shù)目的起伏高達零，就發(fā)生猝熄現(xiàn)象，即，停止放電。來自工作單元的電流信號集中到共同的負載上。每個單元的放大倍數(shù)可以達到107。放大值的擴展定義為單元容量和單元擊穿電壓的技術(shù)擴展，它的數(shù)值小于5％。因為所有的單元是相同的，檢測器對輕微閃光的響應(yīng)是與工作單元的數(shù)目成正比，即，它與光強成正比。工作在Geiger模式下的一個特征是單元放大倍數(shù)與偏置電壓的線性關(guān)系，它可以降低對功率源電壓穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的要求。
給共同母線6(陽極)提供正電壓，它的數(shù)值應(yīng)當提供Geiger模式(典型的數(shù)值是在U＝+20-60V的范圍內(nèi))，還提供等于1-2微米的耗盡層深度。在吸收光量子時，產(chǎn)生的電荷載流子聚集不僅來自耗盡區(qū)，而且還來自未耗盡瞬時區(qū)，其中內(nèi)置電場是由于摻雜劑的梯度，所述電場迫使電子移動到陽極。因此，實現(xiàn)電荷聚集的更大深度，該深度遠遠超過低工作電壓下限定的耗盡區(qū)深度。在固定的單元布局和固定的工作電壓下，它提供最大的光檢測效率。
多晶硅電阻5數(shù)值的選取是根據(jù)足以消除雪崩放電的條件。該電阻的制造技術(shù)是簡單的。重要的特征是，電阻加在單元的周邊，不能遮擋激活部分，即，不能降低光檢測效率。
為了阻擋各個單元之間的連接，分隔元件設(shè)置在各個單元之間的硅光電倍增器結(jié)構(gòu)中，例如，分隔元件是三角形(例如，在KOH基的液體蝕刻中，非均勻蝕刻有取向<100>的硅)。
我們允許在p-n邊界和n-p邊界上的過程是按照完全相同的方式進行(允許相反符號的電荷載流子)，在相反實施例中實現(xiàn)申請的裝置(有確定導電型的各層改變成相反的類型)，如圖4-6所示，它們的工作是按照類似方式實現(xiàn)的，如同在本發(fā)明說明書和權(quán)利要求書中所描述的。因此，相反實施例的申請裝置特征等同于本發(fā)明說明書和權(quán)利要求書中所描述的特征。
權(quán)利要求
1.一種硅光電倍增器，包括摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型基片，其特征是，所述光電倍增器是由多個單元構(gòu)成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3范圍內(nèi)逐漸變化的p導電型外延層，所述外延層生長在基片上，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶硅電阻是在每個單元的二氧化硅層上，所述多晶硅電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設(shè)置在各個單元之間。
2.一種硅光電倍增器，包括n導電型基片，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型層，所述導電型層加在所述基片上，其特征是，所述光電倍增器是由多個單元構(gòu)成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3范圍內(nèi)逐漸變化的p導電型外延層，所述p導電型層生長在p++導電型層上，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶硅電阻是在每個單元的二氧化硅層上，所述多晶硅電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設(shè)置在各個單元之間。
3.一種硅光電倍增器單元，包括摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3范圍內(nèi)逐漸變化的p導電型外延層，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，形成p-n邊界的施主部分和摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+層，多晶硅電阻是在每個單元的二氧化硅層上，所述多晶硅電阻連接n+層與電壓供電母線。
全文摘要
本發(fā)明涉及高效率光記錄檢測器，并可用于核工程和激光工程，以及用于工業(yè)和醫(yī)學斷層攝影術(shù)等。本發(fā)明的硅光電倍增器(變型1)包括摻雜濃度是在10
文檔編號G01T1/24GK1998091SQ200580019248
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月5日
發(fā)明者艾蓮娜·V·波波娃, 謝爾蓋·N·克萊曼, 列昂尼德·A·菲拉托夫 申請人:馬普科技促進協(xié)會, 鮑里斯·阿納托列維奇·多爾戈舍伊恩