一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体器件领域，具体设及一种探测雪崩效应的原位装置及其探测方 法。
【背景技术】
[0002] 具有高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子-空穴对。一个 电子被碰撞出了一个电子和空穴，于是一个载流子变为了Ξ个载流子。运Ξ个载流子（电子 和空穴)在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第Ξ代的电子-空穴 对。最原始的电子也会如此产生第二代、第Ξ代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增 加，运样繁殖载流子的方式称为载流子的雪崩效应。
[0003] 目前，基于雪崩效应的半导体器件的制备W及性能的研究工作得到了科研人员极 大的重视。CN101387658B的专利公开了一种自动测试雪崩光电二极管雪崩电压值的测定电 路与方法，该发明基于自动控制原理，自动调整安全偏置电压，通过比较采样得到的电流值 和预设值来判断雪崩击穿工作区，并将结果显示在微机系统的人机界面。CN103299437A的 专利申请公开了一种用于在CMOS集成电路中使用的单光子雪崩二极管。CN102800717B的专 利公开了一种PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法，其利用区域选择生长的P型轻渗 杂GaN保护环来减少探测器漏电流，抑制边沿提前击穿，实现稳定的高增益的紫外雪崩光电 探测。CN103077996A的专利申请公开了一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特 征的方法，所述雪崩光电探测器用于探测目标探测光，并包括纵向依次排列多层结构。 CN103268898B公开了一种雪崩光电光电探测器及其高频特性提高方法。CN201885758U的实 用新型专利提供了一种雪崩光电探测器及光能检测装置。
[0004] 由于雪崩开关过程迅速，从目前的研究来看，人们对于调控雪崩电离过程的手段 还十分缺乏，因此如何设计一套原位装置去准确探测雪崩放电具体过程，具有一定的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种探测雪崩 效应的原位装置及其探测方法，准确探测雪崩效应具体放电过程并能检测肖特基结质量， 可用于探测多种雪崩效应器件。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种探测雪崩效应的原位装置，包括基底、基底表面绝缘层、金属电极和探测电压 表，基底表面绝缘层原位生长在基底表面，金属电极设有两个、分别为第一电极和第二电 极，第一电极和第二电极均位于基底表面绝缘层上且均位于基底的中屯、线位置，探测电压 表的两端分别与第一电极和第二电极连接，第一电极和第二电极通过基底及探测电压表形 成一个探测回路。
[000引按上述方案，所述基底为Si、Ge、GaSb、InSb、InP、GaP、InAs、GaAs或Ag2S半导体材 料中的一种，且基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材料一致(同一体系）。
[0009] 按上述方案，所述基底表面绝缘层的材料为Si〇2、Si3N4、AlN、Cr2〇3、Ti〇2、ZnO、Fe2〇3、MgO、AI2O3、化2〇 或K2O。
[0010] 按上述方案，所述金属电极选用4邑爪、(：〇、41前、化、？13、111、411、〇1、胖或？冲的一 种。
[0011] 按上述方案，所述金属电极的功函数与基底的功函数存在差异，金属电极与基底 之间形成阻挡层。
[0012] 按上述方案，所述探测回路的电极结构是金属电极/基底表面绝缘层/半导体结 构。
[0013] 本发明还提供了一种基于上述探测雪崩效应的原位装置的探测方法，包括如下步 骤：
[0014] 1)将探测雪崩效应的原位装置与雪崩效应区连接，雪崩效应区是由金属/绝缘体/ 半导体或者P型半导体A型半导体/η型半导体结构组成的雪崩效应器件，探测雪崩效应的 原位装置的基底与雪崩效应区的半导体连接，基底的半导体材料与雪崩效应区的半导体材 料一致；
[0015] 2)在雪崩效应区输入电流大小可变的稳恒电流；
[0016] 3)逐步增加稳恒电流大小，通过探测雪崩效应的原位装置的电压探测表观察电压 脉冲现象，该现象即反映出雪崩效应器件的雪崩效应具体过程。
[0017] 本发明原位装置的探测原理是当雪崩效应区发生雪崩效应时，导致基底的载流子 浓度发生突变，在探测雪崩效应的原位装置中测出电压脉冲现象。
[0018] 本发明的有益效果:本发明探测方法具有准确探测雪崩效应放电具体过程并能检 测肖特基结质量的优点，可用于探测多种雪崩效应器件，如金属/绝缘体/半导体结构、Ρ型 半导体/i型半导体/η型半导体结构的雪崩效应器件。本发明所设及的原位装置设计简单、 换测精度局。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明探测雪崩效应的原位装置的结构示意图
[0020] 图2是本发明探测雪崩效应的原位装置的工作原理图；
[0021] 图1~图2中，1-基底，2-基底表面绝缘层，3-第一电极，4-第二电极，5-探测电压 表，6-雪崩效应器件；
[0022] 图3是本发明模拟图2中所述第二电极处的电容放电时，探测电压表两端测试电压 Vm随时间的变化关系图；
[0023] 图4是将探测雪崩效应的原位装置替换为非原位生长在半导体基底的探测装置的 结构示意图；图4中，7-第一二极管，8-第二二极管；
[0024] 图5是本发明中雪崩效应区对应W金属/绝缘体/半导体结构为例说明绝缘体内等 离子体示意图；
[0025] 图6是本发明模拟雪崩效应区对应W金属/绝缘体/半导体结构为例说明基底表面 绝缘层内多个等离子体对应的电压脉冲图；
[0026] 图7是本发明实施例测量得到的40即寸零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在0~ 200μΑ的局部放大图；
[0027]图8是本发明实施例测量得到的40即寸零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在0~ 400μΑ的整体图；
[002引图9是本发明实施例测量得到的40Κ时零外加磁场条件下对应的V-I曲线图在200 ~400μΑ的局部放大图；
[0029] 图10是本发明实施例中图7-图9的八处电压脉冲位置对应的Vm-t图。
【具体实施方式】
[0030] 为了验证我们设计的一种探测雪崩效应的原位装置的可行性和所述理论分析的 正确性，我们通过附图结合案例进行验证。
[0031] 参照图1所示，本发明所述的探测雪崩效应的原位装置，包括基底1、基底表面绝缘 层2、金属电极和探测电压表5,基底表面绝缘层2原位生长在基底1表面，金属电极设有两 个、分别为第一电极3和第二电极4,第一电极3和第二电极4均位于基底表面绝缘层2上且均 位于基底1的中屯、线位置，探测电压表5的两端分别与第一电极3和第二电极4连接，第一电 极3和第二电极4通过基底1及探测电压表5形成一个探测回路。
[0032] 基底1为半导体材料（51、66、6356、111513、1沾、63?、1^3、6343或4旨25)，且该半导体 材料与雪崩效应区的半导体材料一致（同一体系）。基底表面绝缘层2的材料为Si化、Si3N4、 AlN、Cr203、Ti02、Zn0、Fe203、Mg0、Al203、化20或K20。金属电极选用Ag、Fe、Co、Al、Bi、Ni、饥、 In、Au、Cu、W或Pt中的一种。所述金属电极的功函数与基底的功函数存在差异，金属电极与 基底之间形成阻挡层。所述探测回路的电极结构是金属电极/基底表面绝缘层/半导体结 构。
[0033] 本发明探测雪崩效应的原位装置的工作原理如图2所示，主要包括(I)和（II)两个 区域。其中，（I)区为雪崩效应区，它由金属/绝缘体/半导体组成的雪崩效应器件结构，或者 为P型半导体/i型半导体/η型半导体的雪崩效应器件结构。为图示清晰，本发明附图中将雪 崩效应区的雪崩效应器件结构都选用金属/绝缘体/半导体结构。（II)区对应的是探测雪崩 效应的原位装置，其结构是在与雪崩效应区同一体系下的半导体基底上原位制备得到的。 其中箭头指向为电流输入方向，即从第一电极3经探测电压表5流向第二电极4,然后第一电 极3和第二电极4之间通过基底1的半导体和探测电压表5形成一个探测回路。如果记第一电 极3两端电压为Vdi，第二电极4两端电压为Vd2,探测电压表5测试电压为V。，第一电极3和第二 电极4之间半导体两端电压为Vi2，那么：
[0034]Vl2 =Vdl+Vd2+Vm (1)
[0035] 如果将第一电极3处结构视为欧姆接触，则：
[0036] Vdi* 0 (2)
[0037] 将公式(2)代入公式(1)中得：
[003引Vi2 =Vd2+Vm (3)
[0039] 由欧姆定律可知：
[0040]Vi2 =Ri2XI (4)
[0041] 公式(4)中Ri2为第一电极3和第二电极4之间半导体两端的电阻，I为通过第一电极 3和第二电极4之间半导体的电流。
[0042] 而根据电阻计算公式：
[0043]
15)
[0044]公式(5)中L为第一电极3和第二电极4之间的长度，S为基底1的横截面积，对于同 一基底1条件下固定金属电极位置的测量，L/S为常量。
[0045] 根据半导体电阻率公式：
[0046]
(份
[0047] 公式(6)中n、p分别电子浓度和空穴浓度，q为每个电子或空穴对应的电荷量，μ。、化 分别表示为电子和空穴迁移率;将公式(6)代入公式(5)再代入公式(4)中得：
[0048]
巧).
[0049] 第一电极3和第二电极4之间半导体两端电阻Ri2与半导体体系内部载流子浓度和 迁移率成反比，迁移率受溫度影响较大，在一定溫度下可视为不变。雪崩效应