一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管的制作方法
【專利摘要】一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域。包括有依次縱向?qū)盈B的第一n型層(101)、第二n型層(102)、電荷倍增區(qū)(104)、p型層(105)和襯底(106)，其特征在于：第一n型層(101)、第二n型層(102)中間有電子勢阱層(103)；實(shí)現(xiàn)電子勢阱有兩種方法，一種是電子勢阱層(103)采用p型材料，第二種方法是電子勢阱層(103)采用第一n型層(101)或第二n型層(102)摻雜濃度二倍以上的n+型材料，在形成nn+結(jié)后，在電子勢阱層(103)中形成了電子勢阱。本發(fā)明提供一種自熄滅自恢復(fù)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，具備自動(dòng)熄滅然后自動(dòng)恢復(fù)的特點(diǎn)。
【專利說明】—種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)ξ⑷豕膺M(jìn)行探測的雪崩光電二極管。

【背景技術(shù)】
[0002]單光子探測技術(shù)在量子通信、傳感與遙感、高能物理、3D成像、軍事及醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景，因此備受關(guān)注。實(shí)現(xiàn)單光子探測的光子計(jì)數(shù)器件主要分為兩種結(jié)構(gòu):基于真空管技術(shù)的光電倍增管PMT(Photomultiplier tube)和基于半導(dǎo)體技術(shù)的雪崩光電二極管(Avalanche Photon D1de, APD)。光電倍增管具有增益高,測試面積大,計(jì)算速率快，和時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，然而，其在可見光范圍的量子效率很低，體積大，難集成，高壓工作(200?600V)，易破損，昂貴，嚴(yán)重限制了光電倍增管的應(yīng)用范圍。與光電倍增管相比，雪崩光電二極管光子探測效率高，特別是在紅光和近紅外波長范圍內(nèi)探測具有明顯優(yōu)勢，此外器件體積小，可靠性高，功耗低，易集成，并與CMOS工藝兼容。
[0003]雪崩二極管用于單光子探測時(shí)，其工作電壓高于器件的擊穿電壓，因此入射的單光子信號(hào)會(huì)觸發(fā)自持性雪崩電流，導(dǎo)致熱擊穿，對器件造成致命損害。為了抑制器件熱擊穿的傷害，提高器件壽命，要求器件的擊穿時(shí)間極短。常用方式是在器件外添加熄滅電路，降低器件電壓，終止雪崩，等待下一個(gè)入射信號(hào)的觸發(fā)。熄滅電路的增加使得整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。為此，我們發(fā)明了一種自熄滅自恢復(fù)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，能夠在不加外加熄滅電路的情況下，自動(dòng)熄滅然后自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，開始探測下一個(gè)入射光信號(hào)，如此簡化了探測系統(tǒng)，降低了成本，更利于大規(guī)模推廣和使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種自熄滅自恢復(fù)雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，具備自動(dòng)熄滅然后自動(dòng)恢復(fù)的特點(diǎn)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其特征在于:
[0006]包括有依次縱向?qū)盈B的第一 η型層101、第二 η型層102、電荷倍增區(qū)104、ρ型層105和襯底106，其特征在于:第一 η型層101、第二 η型層102中間有電子勢阱層103 ;實(shí)現(xiàn)電子勢阱有兩種方法，一種是電子勢阱層103采用ρ型材料，當(dāng)與η型層101，102形成ρη結(jié)后，能帶上升，使得η型層101和102的電子位置能量均低于電子勢阱層103，從而在η型層101和102中形成了電子勢阱，能帶圖如圖2 (a)所示。第二種方法是電子勢阱層103采用η型層101和102摻雜濃度二倍以上(上限為摻雜工藝極限濃度)的η+型材料，在形成ηη+結(jié)后，在電子勢阱層103中形成了電子勢阱，能帶圖如圖2 (b)所示。
[0007]該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自熄滅和自恢復(fù)功能的工作原理是，當(dāng)雪崩發(fā)生后，雪崩產(chǎn)生的大量電子在第一種方法形成的電子勢阱區(qū)η型層101和102中堆積，或者在第二種方法形成的電子勢阱在電子勢阱層103中堆積，積累的電子與雪崩產(chǎn)生的空穴能夠產(chǎn)生與外加偏壓相反的電場，從而導(dǎo)致電荷倍增區(qū)104上總的電場強(qiáng)度降低。由于雪崩過程與電場強(qiáng)度密切相關(guān)，電場強(qiáng)度的降低直接導(dǎo)致雪崩過程的抑制，從而實(shí)現(xiàn)自熄滅。與此同時(shí)，隨著雪崩過程的熄滅，不再有新的電子產(chǎn)生，而堆積在電子勢阱中的電子不斷逃逸出電子勢阱，最終使得電荷倍增區(qū)104上的總電場強(qiáng)度恢復(fù)，雪崩倍增再次被觸發(fā)，完成自恢復(fù)過程，開始下一個(gè)雪崩光信號(hào)探測。
[0008]與此相對應(yīng)，圖3顯示的傳統(tǒng)的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，僅僅包括依次縱向?qū)盈B的η型層101和102，電荷倍增區(qū)104，ρ型層105，襯底106，沒有電子勢阱區(qū)結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)適用于使用離子注入的方法形成，也適用于擴(kuò)散的方式，也適用于分子束外延和金屬有機(jī)氣相沉積方法形成；
[0010]本發(fā)明的所有結(jié)構(gòu)層材料適用于S1、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、S01、G0I材料；
[0011]本發(fā)明的探測波長范圍適用于紅外、可見光、紫外、或太赫茲波段；
[0012]本發(fā)明中的物理結(jié)構(gòu)適用于吸收區(qū)和雪崩區(qū)分離的結(jié)構(gòu)，有利于載流子吸收；
[0013]本發(fā)明的雪崩光電二極管，能采用正面入射，或者采用背面入射。
[0014]圖4顯示的是在入射光恒定功率脈沖照射下，本發(fā)明的雪崩光電二極管的光生電流的模擬結(jié)果。從圖可以看出，器件在探測到第一個(gè)入射光信號(hào)后，產(chǎn)生光電流，但是在0.01微秒后會(huì)自動(dòng)熄滅，0.2微秒后自動(dòng)恢復(fù)，探測下一個(gè)入射光信號(hào)，充分展示了本發(fā)明的雪崩光電二極管的自熄滅和自恢復(fù)過程。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0015]圖1:根據(jù)本發(fā)明提出的自熄滅自恢復(fù)雪崩光電二極管的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:第一 η型層101，第二 η型層102，電荷倍增區(qū)104，ρ型層105，電子勢阱層103，襯底106
[0016]圖2(a)自熄滅自恢復(fù)雪崩二極管對應(yīng)的能帶示意圖之一
[0017]圖2(b)自熄滅自恢復(fù)雪崩二極管對應(yīng)的能帶示意圖之二
[0018]圖3:傳統(tǒng)雪崩二極管的截面結(jié)構(gòu)示意圖及其對應(yīng)的能帶示意圖
[0019]圖4:本發(fā)明的雪崩光電二極管具備的自熄滅和自恢復(fù)模擬結(jié)果
[0020]圖5-1雪崩光電二極管具體實(shí)施例制備過程一
[0021]圖5-2雪崩光電二極管具體實(shí)施例制備過程二
[0022]圖5-3雪崩光電二極管具體實(shí)施例制備過程三

【具體實(shí)施方式】
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[0023]具體實(shí)施例制備過程和方法如下:
[0024]1、如圖5-1所示，在電阻率為1000 Ω.cm以上的高阻硅襯底正面通過原位摻雜，用金屬有機(jī)氣相沉積的方法，形成P型層105,摻雜濃度為5X 1017cm_3;
[0025]2、在正面用金屬有機(jī)氣相沉積的方法，形成電荷倍增區(qū)104,不摻雜，厚度在0.2?I微米范圍內(nèi)；
[0026]3、在正面通過金屬有機(jī)氣相沉積的方法，形成第二 η型層102，摻雜濃度為5 X 118Cm 3;
[0027]4、在正面通過金屬有機(jī)氣相沉積的方法形成電子勢阱層103，摻雜濃度為I X 118CnT3;
[0028]5、在正面通過金屬有機(jī)氣相沉積的方法形成第一 η型層101，摻雜濃度為5 X 118Cm 3O
[0029]6、在正面淀積二氧化硅，厚度為45納米，用于增透，同時(shí)鈍化界面，減小表面漏電流；
[0030]7、正面和背面同時(shí)采用濺射的方法淀積金屬Al，厚度為300納米，形成η型歐姆接觸電極100和P型歐姆接觸電極107 ；
[0031]8、正面光刻,將中心暴露出，用于光子入射；
[0032]9、如圖5-3所示，合金，切割，得到本發(fā)明的自熄滅和自恢復(fù)雪崩二極管。在光照情況下，在η型歐姆接觸電極100和ρ型歐姆接觸電極107加反偏電壓獲得光信號(hào)的探測。
[0033]至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實(shí)施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，包括有依次縱向?qū)盈B的第一 η型層(101)、第二η型層(102)、電荷倍增區(qū)(104)、ρ型層(105)和襯底(106)，其特征在于:第一η型層(101)和第二 η型層(102)相同，第一 η型層(101)、第二 η型層(102)中間有電子勢阱層(103);實(shí)現(xiàn)電子勢阱有兩種方法，一種是電子勢阱層(103)采用P型材料，與第一 η型層(101)、第二 η型層(102)形成ρη結(jié)后，能帶上升，使得第一 η型層(101)或第二 η型層(102)的電子位置能量均低于電子勢阱層(103)，從而在第一 η型層(101)、第二 η型層(102)中形成了電子勢阱；第二種方法是電子勢阱層(103)采用第一η型層(101)或第二η型層(102)摻雜濃度二倍以上的η+型材料，在形成ηη+結(jié)后，在電子勢阱層(103)中形成了電子勢阱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，其特征在于:第一 η型層(101)、第二 η型層(102)、電子勢阱層(103)或ρ型層(105)的形成使用離子注入的方法形成、或者擴(kuò)散的方式、或者分子束外延、或金屬有機(jī)氣相沉積方法形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，其特征在于: 所有結(jié)構(gòu)層材料為S1、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，其特征在于: 探測波長范圍為紅外、可見光、紫外或太赫茲波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，其特征在于: 適用于吸收區(qū)和雪崩區(qū)分離的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自熄滅自恢復(fù)功能的雪崩光電二極管，其特征在于: 能采用正面入射，或者采用背面入射。
【文檔編號(hào)】H01L31/107GK104505421SQ201410601406
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】郭霞, 劉巧莉, 李沖, 董建, 劉白 申請人:北京工業(yè)大學(xué)