[發明專利]一種多漂移環結構的紫外雪崩漂移探測器及探測方法

在審

• 申請號: 201710722271.1
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107342338A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 袁俊;倪煒江;黃興;楊永江;張敬偉;牛喜平;李明山;徐妙玲;竇娟娟
• 申請（專利權）人: 北京世紀金光半導體有限公司
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/107;H01L31/115
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司11003
• 代理人: 張宇鋒

技術領域

本發明屬于半導體器件領域，具體涉及一種多漂移環結構的紫外雪崩漂移探測器及探測方法。

背景技術

雪崩光電二極管探測器(APD)，應用于弱光探測。而用第三代寬禁帶半導體如碳化硅等材料制作的具有“日盲”特性的紫外光探測器，可在高溫下工作而不需要昂貴笨重的制冷系統，抗輻射，具有高的近紫外響應。因其在航天，天文探測及軍事方面的卓越特性，一直是研究熱點。相比于傳統的光電倍增管，紫外APD具有單光子響應、增益較大、對磁場不敏感、制作工藝簡單、成本低、體積小易于CMOS工藝集成、工作電壓低、比較安全等優點，近年來得到了迅速發展。紫外APD在高能物理探測、射線探測、生物醫學、量子通信以及其他弱光探測領域的應用都是當今研究的熱點。

但是，由于目前紫外APD技術發展還不成熟，還有很多缺點，如探測效率低，對遠紫外光不敏感，暗電流大，信噪比低等缺點，限制了紫外APD的實際應用。新的器件結構設計和工藝改進正在積極地探索中。紫外APD由雪崩倍增結區和吸收漂移區組成。現有的紫外APD探測效率低主要是由于其雪崩區面積大，暗激發和暗電流噪聲大，信噪比低。由于時間相關性測量以及器件工作性能的要求，單元輸出電容不能太大，暗計數和漏電流越低越好，即要求雪崩區的面積不能太大。

針對上述問題，本發明的目的是提出一種新型的雪崩探測器單元結構：具有多漂移環結構的紫外雪崩漂移探測器，以下簡稱為MDR-ADD(Multi Drift Rings Avalanche Drift Detector)。它既可以作為APD的基本探測單元而大規模集成，也可以制作成大面積的單元探測器。MDR-ADD的基本結構是以大面積P-WELL耗盡溝道吸收區結構和側向多個漂移環以及襯底構成的反偏PN結共同形成的漂移區作為光探測的有源區并在其中形成一條光生載流子(空穴或電子)能谷漂移通道，以多個漂移環結構在通道中產生成較均勻的側向漂移電場，而以位于單元中心的點狀雪崩二極管作為光生載流子(空穴或電子)的收集區。沒有文獻報道或實際應用這種結構用于碳化硅紫外探測器。

MDR-ADD結構用于制作單元大面積探測器時，雪崩區與光子收集區域分開，雪崩結區較小，能制作出比較低雪崩電壓的器件；同時在雪崩倍增高場區域比較小的同時保證大面積的光探測區域，提高了量子效率；減小雪崩區域的面積，有助于減小暗電流和暗激發，同時對于晶片質量和缺陷的容忍度提高，防止了大面積雪崩倍增高場區在缺陷位置的提前擊穿。器件的有源區全耗盡，減小了光生載流子的復合，提高了探測效率；同時其輸出電容比傳統大面積雪崩結APD小，其電子學噪聲一般小于具有同樣通光窗口面積和光吸收區厚度的常規雪崩光電二極管；小的電容也能提高器件的頻率響應。適合于對穿透深度較淺的軟X射線及紫外光的探測。在核醫學成像、高能物理，天文探測等領域具有廣泛的應用前景。

應用于多單元集成時，采用MDR-ADD結構的紫外光探測器可以方便的解決單元面積與輸出電容要求之間的矛盾，可以在保持低的輸出電容的同時提供很高的填充因子(大于70％)和探測效率。同時，由于采用很小面積的點狀雪崩區，高場區面積大大減小，可以有效減小漏電流和暗記數(相比于相同有效探測面積的器件)。MDR-ADD采用正面入射方式，入射面電極可以采用透明導體，例如氧化銦錫(ITO)膜作為電極材料，有效減小電極對光的遮擋和吸收。對遠紫外光到近紫外光波段都敏感。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種多漂移環結構的紫外雪崩漂移探測器，其有效解決了現有技術中存在的問題。本發明的另一目的在于提供一種使用本發明的探測器進行探測的方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種多漂移環結構的紫外雪崩漂移探測器，所述探測器的每個器件單元從上至下依次包括SiO₂層、P-well或N-well、襯底和背面電極；其中，所述SiO₂層的中心設置有CE電極，SiO₂層下方的所述P-well或N-well內沿P-well或N-well的周向設置有若干個漂移環；SiO₂層的外圍周向設置有接地環GND。

進一步，所述CE電極由P+N或N+P構成的點狀雪崩二極管結構構成。

進一步，所述探測器寬禁帶半導體材料制成，所述寬禁帶半導體材料的厚度為0.05毫米-0.5毫米；。

進一步，所述探測器由N型或P型碳化硅單晶片制成。