一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管的制作方法
【专利摘要】一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管涉及半导体光电器件领域，与传统结构不同，具备自动熄灭然后自动恢复的特点。本发明包括有依次纵向层叠的n型层(102)，电荷倍增区(103)，p型层(104)，衬底(106)，其特征在于，还包括有p型层(104)和衬底(106)之间的空穴势阱形成层(105)；实现空穴势阱有两种方法，一种是空穴势阱形成层(105)采用n型材料，当与p型层(104)形成pn结后，能带下移，使得p型层(104)的空穴位置能量最低，从而在p型层(104)中形成了空穴势阱；第二种方法是空穴势阱形成层(105)采用高出P型层(104)掺杂浓度2倍以上的p+型材料，在形成pp+结后，在空穴势阱形成层(105)中形成了空穴势阱。
【专利说明】一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电器件领域，具体涉及一种能够对微弱光进行探测的雪崩光电二极管。
【背景技术】
[0002]单光子探测技术在量子通信、传感与遥感、高能物理、3D成像、军事及医药等领域有着广泛应用前景，因此备受关注。目前，实现单光子探测的光子计数器件主要分为两种结构:基于真空管技术的光电倍增管PMT(Photomultiplier tube)和基于半导体技术的雪崩光电二极管(Avalanche Photon D1de, APD)。光电倍增管具有增益高，测试面积大，计算速率快，和时间分辨率高等优点，然而，其在可见光范围的量子效率很低，体积大，难集成，高压工作(200?600V)，易破损，昂贵，严重限制了光电倍增管的应用范围。与光电倍增管相比，雪崩光电二极管光子探测效率高，特别是在红光和近红外波长范围内探测具有明显优势，此外器件体积小，可靠性高，功耗低，易集成，并与CMOS工艺兼容。
[0003]雪崩二极管用于单光子探测时，其工作电压高于器件的击穿电压，因此入射的单光子信号会触发自持性雪崩电流，导致热击穿，对器件造成致命损害。为了抑制器件热击穿的伤害，提高器件寿命，要求器件的击穿时间极短。常用方式是在器件外添加熄灭电路，降低器件电压，终止雪崩，等待下一个入射信号的触发。熄灭电路的增加使得整个系统复杂，成本高。为此，我们发明了一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管结构，能够在不加外加熄灭电路的情况下，自动熄灭然后自动恢复到初始状态，开始探测下一个入射光信号，如此简化了探测系统，降低了成本，更利于大规模推广和使用。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于提供一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管结构，与传统结构不同，具备自动熄灭然后自动恢复的特点。
[0005]为了实现上述目的，本发明的雪崩光电二极管结构及其对应的能带结构，如图1所示，包括有依次纵向层叠的η型层102，电荷倍增区103，ρ型层104，衬底106，其特征在于，还包括有空穴势阱形成层105。
[0006]实现空穴势阱有两种方法，一种是空穴势阱形成层105采用η型材料，当与ρ型层104形成ρη结后，能带下移，使得ρ型层104的空穴位置能量最低，从而在ρ型层104中形成了空穴势阱，能带图如图2 (a)所示。第二种方法是空穴势阱形成层105采用高出P型层104掺杂浓度2倍以上的ρ+型材料，在形成pp +结后，在空穴势阱形成层105中形成了空穴势阱，能带图如图2(b)所示。
[0007]该结构实现自熄灭和自恢复功能的工作原理是，当雪崩发生后，雪崩产生的大量空穴在第一种方法形成的空穴势阱区P型层104中堆积，或者在第二种方法形成的空穴势阱区空穴势阱形成层105中堆积，积累的空穴与雪崩产生的电子能够产生与外加偏压相反的电场，从而导致电荷倍增区103上总的电场强度降低。由于雪崩过程与电场强度密切相关，电场强度的降低直接导致雪崩过程的抑制，从而实现自熄灭。与此同时，随着雪崩过程的熄灭，不再有新的空穴产生，而堆积在空穴势阱中的空穴不断逃逸出空穴势阱，最终使得电荷倍增区103上的总电场强度恢复，雪崩倍增再次被触发，完成自恢复过程，开始下一个雪崩光信号探测。
[0008]与此相对应，图3显示的传统的雪崩光电二极管结构及其对应的能带结构，仅仅包括依次纵向层叠的η型层102，电荷倍增区103，ρ型层104，衬底106，没有空穴势阱区结构。
[0009]本发明的雪崩光电二极管结构及其对应的能带结构，如图1所示，包括有依次纵向层叠的η型层102，电荷倍增区103，ρ型层104，衬底106，其特征在于，还包括有夹在ρ型层104和衬底106之间的空穴势阱形成层105 ；
[0010]本发明的所有层材料适用于S1、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI或GOI材料；
[0011]本发明的探测波长范围适用于红外、可见光、紫外或太赫兹波段；
[0012]本发明中的物理结构适用于吸收区和雪崩区分离的结构，有利于载流子吸收；
[0013]本发明的雪崩光电二极管，能采用正面入射，或者采用背面入射。
[0014]图4显示的是在入射光恒定功率脉冲照射下，本发明的雪崩光电二极管的光生电流的结果。从图可以看出，器件在探测到第一个入射光信号后，产生光电流，但是在0.01微秒后会自动熄灭，0.2微秒后自动恢复，探测下一个入射光信号，充分展示了本发明的雪崩光电二极管的自熄灭和自恢复过程。
【专利附图】
【附图说明】
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[0015]图1:根据本发明提出的自熄灭自恢复雪崩光电二极管的截面结构示意图；图中:η型层102，电荷倍增区103，ρ型层104，空穴势阱形成层105，衬底106
[0016]图2(a):根据本发明提出的自熄灭自恢复雪崩二极管对应的能带示意图之一图2(b):根据本发明提出的自熄灭自恢复雪崩二极管对应的能带示意图之二
[0017]图3:传统雪崩二极管的截面结构示意图及其对应的能带示意图
[0018]图4:本发明的雪崩光电二极管具备的自熄灭和自恢复模拟结果
[0019]图5-1:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤一图5-2:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤二
图5-3:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤三图5-4:本发明的雪崩光电二极管具体实施例制备步骤四【具体实施方式】:
[0020]如图5所示，其制备过程和方法如下:
[0021]1.在电阻率为1000 Ω.cm以上的高阻硅衬底正面注入磷，形成空穴势阱形成层105，掺杂浓度为IXlO18Cm-3;
[0022]2.在高阻的硅衬底正面注入硼，形成ρ型层104，掺杂浓度为5 X 117CnT3;
[0023]3.硅衬底正面注入磷，在紧靠样品上表面形成η型层102，掺杂浓度为5X 11W3O同时，由离子注入形成的η型层102和ρ型层104，由于注入深度不同，之间会存在一层非故意掺杂区103，该区为电荷倍增区；
[0024]4.退火，将注入的杂质离子激活，退火温度1000°C，退火时间30分钟；
[0025]5.在样品表面淀积一层二氧化硅100，厚度为45纳米，用于增透，同时钝化界面，减小表面漏电流；
[0026]6.正面和背面同时采用溅射的方法淀积金属Al，厚度为300纳米，形成η型欧姆接触电极101和P型欧姆接触电极107 ；
[0027]7.正面光刻，将中心暴露出，用于光子入射；
[0028]8.合金，切割，得到本发明的自熄灭和自恢复雪崩二极管。在光照情况下，在η型欧姆接触电极101和P型欧姆接触电极107加反偏电压获得光信号的探测。
[0029]至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，包括有依次纵向层叠的η型层(102)，电荷倍增区(103)，ρ型层(104)，衬底(106)，其特征在于，还包括有ρ型层(104)和衬底(106)之间的空穴势阱形成层(105); 实现空穴势阱有两种方法，一种是空穴势阱形成层(105)采用η型材料，当与ρ型层(104)形成ρη结后，能带下移，使得ρ型层(104)的空穴位置能量最低，从而在ρ型层(104)中形成了空穴势阱；第二种方法是空穴势阱形成层(105)采用高出P型层(104)掺杂浓度2倍以上的ρ+型材料，在形成PP+结后，在空穴势阱形成层(105)中形成了空穴势阱。
2.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，其特征在于: 第一 η型层(101)、第二 η型层(102)、电子势阱层(103)或ρ型层(105)的形成使用离子注入的方法形成、或者扩散的方式、或者分子束外延、或金属有机气相沉积方法形成。
3.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，其特征在于: 所有层材料为 Si, GaAs, GaN, InP、Ge、SiC、SOI 或 GOI 材料。
4.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，其特征在于: 探测波长范围为红外、可见光、紫外或太赫兹波段。
5.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，其特征在于: 适用于吸收区和雪崩区分离的结构。
6.根据权利要求1所述的一种自熄灭自恢复雪崩光电二极管，其特征在于: 能采用正面入射，或者采用背面入射。
【文档编号】H01L31/107GK104505422SQ201410602125
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】郭霞, 李冲, 刘巧莉, 董建, 刘白 申请人:北京工业大学