矽光電倍增器(變型)及矽光電倍增器單元的製作方法
2023-07-11 16:45:56 1
專利名稱：矽光電倍增器(變型)及矽光電倍增器單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件領域，尤其涉及高效率光發射檢測的檢測器，該光發射包括可見光譜部分，本發明可用於核技術和雷射技術，以及用於工業和醫學斷層攝影術等。
背景技術：
單光子檢測的裝置是眾所周知的[「Avalanche photodiodes andquenching circuits for single-photon detection」，S.Cova，M.Ghioni，A.Lacaita，C.Samori and F.Zappa，APPLIED OPTICS，Vol.35 No.12，20 April 1996]，已知的裝置包括矽基片，和在該基片上製作的外延層，所述外延層在表面上有一個導電型的小(10-200微米)區域(單元)，該導電型是與給定層導電型相反。給這個單元提供大於擊穿電壓的反向偏置。當這個區域中的光子被吸收時，就發生Geiger放電，所述放電是受外部衰減電阻的限制。這種單光子檢測器有高的光檢測效率，然而，它有非常小的靈敏區，而且，它不能測量光通量強度。為了消除這些缺陷，需要使用位於共同基片上的大量(≥103)這種單元，該單元是≥1mm2的正方形。在這種情況下，每個單元的工作如同以上描述的光子檢測器，該裝置的整體檢測與工作單元數目成正比的光強。
在1997年7月27日出版的RU 2086047 C1中描述的裝置可以作為最新現有技術的矽光電倍增器。已知裝置包括矽基片，多個單元，其尺寸為20-40微米並位於所述基片表面上的外延層中。一種特殊材料層用作衰減電阻器，這種裝置的缺陷是如下所述●由於光在電阻層中被吸收，它可以降低短波光檢測效率；●由於靈敏區的很小深度，它沒有足夠高的長波光檢測效率；
●相鄰單元之間光連接可能導致這樣的情況，當一個單元工作時，二次光子出現在Geiger放電中，所述光子可以起動相鄰單元的激勵(發光)。由於這種光子的數目是與放大係數成正比，這個現象限制該裝置的放大係數，效率，和單電子解析度。此外，光學連接產生多餘的噪聲因素，它使理想的泊松統計特徵和記錄少量光子的能力退化。
●電阻層塗敷的技術複雜性。
由於增大的單元靈敏度，該技術效應可以提高寬帶波長的光檢測效率，其放大係數高達107，可以實現高的單電子解析度，和抑制多餘的噪聲因素。
製作在薄外延層上單個單元結構(尺寸約為20微米)在約1微米深的耗盡層中提供均勻的電場，這在最新現有技術的矽光電倍增器單元中是可接受的。該單元結構提供低的工作電壓(M.Ghioni，S.Cova，C.Samori，G.Ripamonti「New epitaxial diode forsingle-photon timing at room temperature」，Electronics Letters，24，No.24(1998)1476)。已知單元的缺陷是沒有足夠高的光譜長波部分(≥450微米)的檢測效率。
由於增大的單元靈敏度，該技術效應可以提高寬帶波長的檢測效率，實現高的單電子解析度。
發明內容
研究兩個實施例的矽光電倍增器和矽光電倍增器單元的結構。
我們得到的技術效應(第一個實施例)是藉助於一種矽光電倍增器，包括摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型基片，該倍增器是由互相獨立的相同單元構成，每個單元包含生長在基片上的p導電型外延層，所述外延層的摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3的範圍內逐漸變化；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，所述n+導電型層形成p-n邊界的施主部分，多晶矽電阻是在每個單元的二氧化矽層上，所述多晶矽電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設置在各個單元之間。
我們得到的技術效應(第二個實施例)是藉助於一種矽光電倍增器，包括n導電型基片；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的P++導電型層，所述導電型層加在所述n導電型基片上，所述倍增器是由互相獨立的相同單元構成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3範圍內逐漸變化的p導電型外延層，所述p導電型外延層生長在P++導電型層上；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層；摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶矽電阻是在每個單元的二氧化矽層上，所述多晶矽電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔元件設置在各個單元之間。
在第二個實施例中，使用n導電型基片(它代替在第一個實施例裝置中使用的基片1)，所述基片與各個單元的p導電型層一起形成反向n-p邊界。
圖1表示按照本發明矽光電倍增器單元的結構。
圖2表示第一個實施例的矽光電倍增器。
圖3表示第二個實施例的矽光電倍增器。
圖4表示按照本發明的矽光電倍增器單元結構(相反實施例)圖5表示第一個實施例的矽光電倍增器(相反實施例)。
圖6表示第二個實施例的矽光電倍增器(相反實施例)。
具體實施例方式
第一個實施例的矽光電倍增器包括p++導電型基片1，生長在基片1上的外延層2(EPI)，p導電型層3，n+導電型層4，連接導電型層4與電壓分布母線6的多晶矽電阻5，二氧化矽層7，分隔元件10。除了以上指出的元件和連接以外，第二個實施例的矽光電倍增器還包括p++導電型層8和n導電型基片9(代替p++導電型基片1)。
矽光電倍增器單元包括摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3範圍內逐漸變化的p導電型外延層2；摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層3；形成p-n邊界施主部分的n+層，其摻雜劑濃度是在1018-1020cm-3範圍內，多晶矽電阻5是在每個單元的二氧化矽層7上，二氧化矽層7是在外延層的光敏表面上，所述電阻5連接n+層4與電壓分布母線6。
由於在外延層中特別形成的摻雜劑分布梯度輪廓建立的內置電場，在這種結構中可以實現寬光譜(300-900nm)的高效率光檢測，以及低的工作電壓和高度均勻的電場。
在從光電倍增器的基片到光敏表面的方向上，抑制外延層中的摻雜劑濃度，所述光敏表面是遠離基片的外延層表面(外延層的光敏表面)。二氧化矽層7加到矽光電倍增器的光敏表面上，即，外延層的光敏表面上。連接n+層4與電壓分布母線6的多晶矽電阻5是在每個單元的二氧化矽層7上。具體執行光阻擋功能的分隔元件10設置在各個單元之間。
外延層(第二個實施例的矽光電倍增器)生長在p++導電型層8上，導電型層8是在導電型基片9上(摻雜劑濃度為1015-1017cm-3)。在p導電型層3與基片9之間製作第二個(相反)n-p邊界，所述邊界可以防止Geiger放電中二次光子產生的光電子穿透進入相鄰單元的靈敏區。此外，通過非均勻蝕刻有取向100的矽，由於在各個單元(例如，它們可以是三角形(V型槽))之間充滿分隔元件(光阻擋層)，可以防止二次Geiger光子穿透進入相鄰單元。
矽光電倍增器包括尺寸約為20-100微米的獨立單元。所有的單元是與鋁母線連接，大於擊穿電壓的相同偏置電壓加到各個單元上，從而可以工作在Geiger模式。當光子到達時，猝熄的Geiger放電是在單元的激活區中發展。由於在每個單元中有多晶矽電阻5(限流電阻)，當p-n邊界上的電壓下降時，電荷載流子數目的起伏高達零，就發生猝熄現象，即，停止放電。來自工作單元的電流信號集中到共同的負載上。每個單元的放大倍數可以達到107。放大值的擴展定義為單元容量和單元擊穿電壓的技術擴展，它的數值小於5％。因為所有的單元是相同的，檢測器對輕微閃光的響應是與工作單元的數目成正比，即，它與光強成正比。工作在Geiger模式下的一個特徵是單元放大倍數與偏置電壓的線性關係，它可以降低對功率源電壓穩定性和熱穩定性的要求。
給共同母線6(陽極)提供正電壓，它的數值應當提供Geiger模式(典型的數值是在U＝+20-60V的範圍內)，還提供等於1-2微米的耗盡層深度。在吸收光量子時，產生的電荷載流子聚集不僅來自耗盡區，而且還來自未耗盡瞬時區，其中內置電場是由於摻雜劑的梯度，所述電場迫使電子移動到陽極。因此，實現電荷聚集的更大深度，該深度遠遠超過低工作電壓下限定的耗盡區深度。在固定的單元布局和固定的工作電壓下，它提供最大的光檢測效率。
多晶矽電阻5數值的選取是根據足以消除雪崩放電的條件。該電阻的製造技術是簡單的。重要的特徵是，電阻加在單元的周邊，不能遮擋激活部分，即，不能降低光檢測效率。
為了阻擋各個單元之間的連接，分隔元件設置在各個單元之間的矽光電倍增器結構中，例如，分隔元件是三角形(例如，在KOH基的液體蝕刻中，非均勻蝕刻有取向100的矽)。
我們允許在p-n邊界和n-p邊界上的過程是按照完全相同的方式進行(允許相反符號的電荷載流子)，在相反實施例中實現申請的裝置(有確定導電型的各層改變成相反的類型)，如圖4-6所示，它們的工作是按照類似方式實現的，如同在本發明說明書和權利要求書中所描述的。因此，相反實施例的申請裝置特徵等同於本發明說明書和權利要求書中所描述的特徵。
權利要求
1.一種矽光電倍增器，包括摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型基片，其特徵是，所述光電倍增器是由多個單元構成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3範圍內逐漸變化的p導電型外延層，所述外延層生長在基片上，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶矽電阻是在每個單元的二氧化矽層上，所述多晶矽電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設置在各個單元之間。
2.一種矽光電倍增器，包括n導電型基片，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的p++導電型層，所述導電型層加在所述基片上，其特徵是，所述光電倍增器是由多個單元構成，每個單元包含摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3範圍內逐漸變化的p導電型外延層，所述p導電型層生長在p++導電型層上，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+導電型層，多晶矽電阻是在每個單元的二氧化矽層上，所述多晶矽電阻連接n+導電型層與電壓分布母線，和分隔單元設置在各個單元之間。
3.一種矽光電倍增器單元，包括摻雜劑濃度是在1018-1014cm-3範圍內逐漸變化的p導電型外延層，摻雜劑濃度為1015-1017cm-3的p導電型層，形成p-n邊界的施主部分和摻雜劑濃度為1018-1020cm-3的n+層，多晶矽電阻是在每個單元的二氧化矽層上，所述多晶矽電阻連接n+層與電壓供電母線。
全文摘要
本發明涉及高效率光記錄檢測器，並可用於核工程和雷射工程，以及用於工業和醫學斷層攝影術等。本發明的矽光電倍增器(變型1)包括摻雜濃度是在10
文檔編號G01T1/24GK1998091SQ200580019248
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月5日 優先權日2004年5月5日
發明者艾蓮娜·V·波波娃, 謝爾蓋·N·克萊曼, 列昂尼德·A·菲拉託夫 申請人:馬普科技促進協會, 鮑裡斯·阿納託列維奇·多爾戈舍伊恩