专利名称：具有mos全耗尽漂移通道的雪崩漂移探测器及其探测方法
具有M0S全耗尽漂移通道的雪崩漂移探测器及其探测方法 本发明涉及一种新型半导体光电探测器MOS-ADD的器件结构及其工作原理，属于H01L 27/00类半导体器件技术领域。 多元盖革雪崩光电二极管(M-GAPD)，也称为硅光电倍增管SiPM(SiliconPhotomultiplier)，应用于弱光探测。其工作原理和发展历史参阅文献D. Renker. Geiger_mode avalanche photodiodes， history, properties andproblems.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567(2006)48-56。 相比于传统的光电倍增管PMT， SiPM具有单光子响应、增益较大、对磁场不敏感、制作工艺简单、成本低、体积小、易于CMOS工艺集成、工作电压低、比较安全等优点，近年来得到了迅速发展，被认为在不久的将来能成为部分光电倍增管的替代品。SiPM在高能物理研究、射线探测、生物医学、量子通信以及其他弱光探测领域的应用都是当今研究的热点。例如，SiPM可以用于大型天文望远镜(参阅M. R. Squillante， R.A.Myers，F. Robertson, R.Farrell， J.F.Christian, G. Entine. Avalanche photodiode arraysfor a high—angular resolution X—rayand gamma—ray imaging telescopes. NuclearInstruments and Methods inPhysics Research Section A : ， Volume 580， Issue 2，1 October 2007， Pages848-852)，粒子物理探测(参阅D. Renker. New developments onphoto—sensorsfor particle physics. Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearchSection A:In Press,Corrected Proof，Available online 15 August 2008)，医学石开究中的基因诊断(参阅I. Rech，A. Restelli，S. Cova，M. Ghioni，M. Chiari，M. Cretich.Microelectronic photosensors for genetic diagnosticMicrosystems. Sensors andActuators B 100， pp. 158-162,2004)以及生物科技(参阅Schwartz, David Eric ;Gong，Ping ;Shepard， Kenneth L Time_resolvedForster_resonance_energy_transfer DNAassay on an active CMOS microarray. Biosens Bioelectron， 2008， 24③383-390)等。但是，由于目前SiPM技术还不成熟，还有很多缺点，如探测效率较低(一般<30%，稍好于PMT)、动态范围窄(102-10Vmm2)、暗计数率较高、光学串扰较严重、面积较小等(参阅YuriMusienko，"Advances in multipixel Geiger-mode avalanche photodiodes (siliconphotomultipliers) ，，， Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A :，Corrected Proof ，Available online 19 August 2008)，限制了 SiPM的实际应用。新的器件单元结构设计和工艺改进正在积极地探索中。 SiPM由大量的小面积雪崩二极管单元组成。现有的SiPM探测效率较低主要是由于其几何效率(或填充因子)较低。由于时间相关性测量以及探测器工作性能的要求，单元输出电容不能太大，暗计数和漏电流越低越好，即要求雪崩光电二极管探测单元的面积不能太大。高单元数(103以上)的SiPM由于单元之间的"死区"(非敏感区)以及单元引线和电极制备占据，填充因子往往较低(一般低于50%)，这就导致了探测效率较低。同时，SiPM的吸收区深度有限，为了减小材料对光的吸收和探测短波长光的需要，单元的结深一般都很浅，对波长较长的光的探测探测效率较低(参阅S. Gomi，H. Hano，T. Iijima，S. Itoh，K. Kawagoe，et al. "Developmentand study of the multi pixel photon co皿ter"NuclearInstruments andMethods in Physics Research Section A: ，Volume 581， Issues 1—2，210ctober 2007，Pages 427-432)。 针对上述问题，本发明的目的是提出一种新型的雪崩探测器单元结构-一具有MOS全耗尽漂移通道的雪崩漂移探测器，以下简称为M0S-ADD(M0S d印letion driftchannelAvalanche Drift Detector)。它既可以作为SiPM的基本探测单元而大规模集成，也可以制作成大面积的单元探测器。M0S-ADD的基本结构是以大面积的M0S结构和掩埋反偏PN结共同形成的全耗尽区作为探测器的耗尽有源区并在其中形成一条光生载流子(电子或空穴)能谷作为漂移通道，以内外漂移环在通道中产生侧向漂移电场，而以位于单元中心的"点状"盖革雪崩二极管(GAPD)作为光生载流子的收集区。至今还没有文献报道或实际应用这种结构。 应用于SiPM多单元集成时，采用M0S-ADD结构可以方便的解决SiPM单元面积与输出电容要求之间的矛盾，可以在保持低的输出电容的同时提供很高的填充因子(大于70%)和探测效率。同时，由于采用很小面积的点状雪崩区，高场区面积大大减小，可以有效减小漏电流和暗记数率(相比于相同有效探测面积的APD器件)。MOS-ADD采用正面入射方式，入射面所有电极均可以采用透明导电膜，例如氧化铟锡(IT0)膜或很薄的金属膜作为电极材料，有效减小电极对光的遮挡和吸收。 MOS-ADD结构用于制作单元大面积单光子探测器时，因输出电容小且不依赖于探测器的面积，其电子学噪声一般远小于具有同样通光窗口面积和光吸收区厚度的常规雪崩光电二极管(参阅S. Tanaka， J. Kataoka， Y. Kanai， Y. Yatsu， M. Arimoto，M. Koizumi,N. Kawai，Y. Ishikawa，S. Kawai，N. Kawabata，"Development ofwideband X_rayand gamma-ray spectrometer using transmission-type， large-areaAPD，，， NuclearInstruments and Methods in Physics Research Section A， Volume582， Issue 2， 21November 2007， Pages 562-568)，适合于对穿透深度较浅的软X射线、紫外光、可见光及近红外光的探测。如果结合闪烁体还可以用来探测高能量的X或y射线，在弱光检测、核医学成像、高能物理研究等领域具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 —种新型具有MOS全耗尽漂移通道的雪崩漂移探测器，英文简称为MOS
ADD(MOSd印letion drift channel Avalanche Drift Detector)，其特征在于制作该探测
器的半导体材料为硅单晶片，每个探测器单元由"点状"雪崩二极管收集区、耗尽有源区、大
面积透明栅极M0S结构、掩埋pn结、内漂移电极、外漂移电极以及接地构成。 所述硅单晶片掺杂类型为N型或P型，掺杂浓度低于lX1017cm—3，厚度为100微
米-O. 5毫米，晶向〈100>、〈110>或〈111>，单面或双面抛光片； 所述"点状"雪崩二极管收集区位于探测器单元的中心，其面积小于lOOOym2 ;
所述耗尽有源区的掺杂类型与硅单晶片掺杂类型相反，深度0. 1微米-10微米；
所述大面积透明栅极MOS结构由透明导电膜-SiO厂Si构成，透明导电膜兼做电极和减反射膜，可以是ITO或很薄的金属(例如银、金、铝、钛等)，其厚度为lnm-10iim， Si02层厚lnm_l ii m ; 所述掩埋pn结由耗尽有源区与硅单晶片衬底构成； 所述内、外漂移电极掺杂类型与耗尽有源区相反，接地电极掺杂类型与耗尽有源区相同，采用透明导体或铝膜做电极引出； 所述新型MOS-ADD探测器具有圆饼和圆环形状，获具有方形或条形形状； 所述新型M0S-ADD探测器具有单元或多元阵列结构，所述多元阵列结构的输出端
可以是各自独立输出，也可以是全部并联，共用l个负载； 本发明还涉及所述新型MOS-ADD探测器探测光信号的方法。其特征是 被测光信号从所述MOS-ADD探测器的正面入射进入探测器(透过透明电极)； 探测器工作时，所述掩埋pn结加反向偏压，所述MOS结构工作在耗尽状态，所述
内、外漂移电极与耗尽有源区形成反偏pn结，外电极偏压的绝对值大于内电极偏压的绝对
值； 所述光信号指近红外光、可见光、紫外光(波长范围是0.2-1. l微米)及软X光
(能量范围是l-20keV)。 以下结合实例具体说明本发明。
图1所示为基于N型硅单晶片，空穴漂移的新型MOS-ADD单元的结构示意图。探测器由"点状"雪崩二极管收集区Collecting electrode、耗尽有源区P井(piell，掺杂受主区)、IT0透明栅极MOS结构、掩埋pn结、内漂移环电极Rl、外漂移环电极R2，接地环电极GND。 使用本发明新型MOS-ADD探测器探测光信号的方法是光信号从探测器正面入射进入探测器。GND接地，Collecting electrode电极加负偏压到雪崩击穿电压以上，当一个光生空穴漂移到雪崩区后引发雪崩倍增并输出一个放大的脉冲电流信号；IT0透明栅极Gate和背面电极Back electrode各加一合适正偏压(相对于GND)，使P井(pwell)全耗尽并在P井中形成一条空穴电势能谷，使光生空穴集中于能谷中以减小表面复合损失；内漂移环电极Rl加小的正电压(约l-4V)，外漂移环电极R2加比Rl稍高几伏特的正电压，在P井耗尽区中形成一指向探测器单元中心的侧向漂移电场(如图2所示的由软件模拟得到的漂移区电势分布)。MOS结构处于弱反型或耗尽状态，弱反型层作为分压电阻可使侧向漂移电场更均匀。被测光信号从所述MOS-ADD探测器的正面入射进入器件(透过IT0电极)，在耗尽区中产生电子_空穴对，电子被排斥进入M0S沟道下的反型层或衬底，而空穴将汇聚于漂移通道(即空穴电势能谷)中并在漂移环所产生的侧向电场下漂移至探测器中心的雪崩区(如图3所示的由软件模拟得到的空穴电流的分布和流向)，在雪崩区发生碰撞电离倍增而被放大并输出一个脉冲电流信号。
在本发明的其它实施例中 新型MOS-ADD探测器采用P型硅单晶片制作，其晶向为〈100>、〈111>或〈110〉，掺杂浓度低于1 X 1017cm—3，厚度100微米-0. 5毫米；
"点状"雪崩二极管的面积小于1000 m2 ; N井(Niell)耗尽有源区的深度为0. 1微米_10微米，由离子注入、扩散或外延等技术实现； 透明栅极M0S结构由透明导电膜-Si02-Si构成，透明导电膜兼做电极和减反射膜，可以是ITO或很薄的金属，例如铝、钛、银、金等，其厚度为lnm-lOym， Si(^层厚lnm_l li m ; 内、外漂移电极R1、 R2和接地电极GND可以采用和透明栅极M0S结构一样的IT0膜或很薄的金属，其厚度为lnm-10iim ; M0S-ADD探测器除了圆饼和圆环形状外，还可以具有方形或条形形状； MOS-ADD探测器除了单元结构外，还可以具有多元阵列或其它变种形式的结构。所
述多元阵列结构的输出端可以是各自独立输出，或全部并联，共用l个负载。 需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基
于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
权利要求
一种新型MOS-ADD探测器，其特征在于制作该探测器的半导体材料为单晶硅片，每个探测器单元由“点状”雪崩二极管收集区、耗尽有源区、大面积透明栅极MOS结构、掩埋pn结、内漂移电极、外漂移电极以及接地构成；
2. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于所述硅单晶片掺杂类型为N型或P型，掺杂浓度低于lX1017cm—3，厚度为IOO微米-O. 5毫米，晶向〈100〉、 〈110〉或〈111〉，单面或双面抛光片；
3. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于所述"点状"雪崩二极管收集区位于探测器单元的中心，其面积小于1000 iim2 ;
4. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于耗尽有源区的掺杂类型与权利要求2所述硅单晶片掺杂类型相反，深度0. 1微米-10微米；
5. 如权利要求l所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于所述大面积透明栅极MOS结构由透明导电膜-S叫-Si(即权利要求4所述耗尽有源区)构成，透明导电膜兼做电极和减反射膜，厚度为lnm-10 ii m， Si02层厚lnm-1 y m ;
6. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于所述掩埋pn结由权利要求4所述耗尽有源区与权利要求2所述硅单晶片衬底构成；
7. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于所述内、外漂移电极掺杂类型与权利要求4所述耗尽有源区相反，接地掺杂类型与权利要求4所述耗尽有源区相同，采用厚度为lnm-10 ym的透明导体或铝、钛膜做电极引出；
8. 如权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于具有圆饼和圆环形状，获具有方形或条形形状；
9. 如权利要求l所述的新型MOS-ADD探测器，其特征在于具有单元或多元阵列结构，所述多元阵列结构的输出端可以是各自独立输出，或全部并联，共用1个负载；
10. —种使用权利要求1所述的新型MOS-ADD探测器探测光信号的方法，其特征在于被测光信号从所述MOS-ADD探测器的正面入射进入探测器(透过透明电极)，探测器工作时，权利要求6所述掩埋pn结加反向偏压，权利要求5所述MOS结构工作在弱反型或耗尽状态，权利要求7所述的内、外漂移电极与权利要求4所述耗尽有源区形成反偏pn结，外电极偏压的绝对值大于内电极偏压的绝对值；
11. 如权利要求10所述的光信号指近红外光、可见光、紫外光(波长范围是0. 21. 1微米)或X光(能量范围是l-20keV)。
全文摘要
本发明新型MOS-ADD探测器采用硅单晶片来制作。应用于SiPM多单元集成时，采用MOS-ADD结构可以方便的解决SiPM单元面积与输出电容要求之间的矛盾，可以在保持低的输出电容的同时提供很高的填充因子(大于70％)和探测效率。同时，由于采用很小面积的“点状”雪崩区，高场区面积大大减小，可以有效减小漏电流和暗记数(相比于相同有效探测面积的SiPM器件)。MOS-ADD采用正面入射方式，入射面所有电极可采用透明导电膜，能够有效减小电极的阻挡和对光的吸收。全耗尽的有源区可深达几微米或几十微米，对蓝光到近红外光波段都敏感。MOS-ADD结构用于制作单元大面积单光子探测器时，因输出电容小且不依赖于探测器的面积，其电子学噪声一般远小于具有同样通光窗口面积和光吸收区厚度的常规雪崩光电二极管，适合于对穿透深度较浅的软X射线及可见光的探测。如果结合闪烁体还可以用来探测高能量的X或γ射线。
文档编号G01J1/42GK101752391SQ20081018046
公开日2010年6月23日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者袁俊, 韩德俊 申请人:北京师范大学