一種半導體光電倍增器件的製作方法

2024-03-08 04:36:15 1

本實用新型涉及光電子和微電子領域，特別是涉及一種用於光子探測的半導體光電倍增器件。

背景技術：

半導體光電倍增器是一種利用半導體雪崩倍增機制對光子進行探測的新型半導體器件。它是由多個探測單元並聯排列而成的陣列式探測結構，所有的探測單元共用一個電極用作信號的輸出，其探測單元由工作在蓋革模式下的雪崩光電二極體串聯淬滅電阻組成。當光子入射到二極體中被吸收後,便會在雪崩光電二極體的光敏區內產生電子-空穴對。由於雪崩光電二極體的光敏區內存在較高的電場，漂移的電子會通過雪崩倍增的方式在這個高電場中產生大量電子-空穴對，最終導致擊穿形成大電流。與雪崩光電二極體串聯的淬滅電阻位於二極體附近，它會抑制雪崩光電二極體的雪崩倍增過程並使它逐漸減弱停止。這樣，探測單元便對入射光子發生響應，並最終產生出模擬脈衝信號。各探測單元產生的模擬脈衝響應信號疊加後經半導體光電倍增器的信號端輸出。相比於傳統的真空電子管探測技術，半導體光電倍增器具有諸多優異特性如高內部增益、單光子響應能力和高速時間響應特性，低工作電壓以及絕佳的磁場兼容性和良好的機械性能，使其廣泛應用於核醫學、分析檢測、工業監測、國土安全等國民經濟的諸多領域，是未來光電探測器的發展方向，具有巨大的應用前景。

在半導體光電倍增器件的應用選型中,器件的探測效率和時間特性是兩個需要特別考慮的重要性能參數。探測效率是指光子入射到光電探測器上，經光電探測器的吸收、轉化和放大，並最終輸出有用的電學信號的概率，通常以探測器探測得到的光子數目與入射的總光子數目之間的比值來表示，它反映了探測器對入射光子的敏感程度。對於半導體光電倍增器而言，探測效率主要與半導體材料的量子效率、發生雪崩倍增的機率以及器件的填充因子有關，可簡單表示為:

PDE＝∈(λ)·Pb(V)·F.

式中，PDE為探測效率，∈(λ)為量子效率，Pb(V)表示雪崩倍增機率，F表示填充因子。其中，∈(λ)是與波長相關的物理量，Pb(V)是與工作電壓相關的物理量，此二者與具體的應用環境相關。填充因子F是光電探測器探測面上的有效光敏面積與總探測面積的比值。在半導體光電倍增器中，由於各探測單元之間需要相互隔離，且淬滅電阻、金屬電極、金屬互連線以及其他功能性非探測單元都需要佔據一定的探測面積，所以填充因子也在很大程度上決定了光電探測器的探測效率。

半導體光電倍增器的時間特性由兩個時間常數來定義，即模擬脈衝信號的上升時間和恢復時間。上升時間定義為雪崩光電二極體結電容的放電時間，通常在幾百皮秒至幾納秒量級；恢復時間定義為通過外部電路、淬滅電阻向雪崩光電二極體結電容充電的時間，根據雪崩光電二極體尺寸及淬滅電阻的大小不同通常在幾十至幾百納秒量級。半導體光電倍增器輸出的模擬脈衝的時間特性對其應用系統的符合時間解析度有較大的影響，較長的上升時間，會導致較差的符合時間解析度。在半導體光電倍增器的應用領域如雷射測距、時間飛行正電子發射斷層成像等系統中，光電信號的轉換速度非常重要。而較長的上升時間和恢復時間會嚴重減緩光電信號的轉換速度，給半導體光電倍增器在需要快速輸出的應用領域帶來巨大的限制。

通常，改善半導體光電倍增器的時間特性的方法是降低雪崩光電二極體的結電容，但需要對二極體的結構及摻雜進行重新的優化設計，這無疑增加了設計的成本，且存在較大的設計風險。一種可行的方案是，採用串聯電容的方式來降低探測單元的總體電容，但串聯的電容會佔據額外的探測面積，使器件的填充因子減小，進而降低器件的探測效率。因此，設計一種簡單的實現方式來改善半導體光電倍增器的時間特性，並保證其較高的探測效率，對半導體光電倍增器的發展具有重要意義。

技術實現要素：

本實用新型旨在解決以上技術問題，而提供一種新型半導體光電倍增器件，用以改善半導體光電倍增器件的時間特性，並同時保持其較高的探測效率。為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種半導體光電倍增器件的探測單元，其特徵在於，包括：半導體襯底；位於所述半導體襯底之上的第一導電類型的半導體外延層，所述外延層靠近表面處設置有有源區，所述有源區中包含有第二導電類型的半導體區和第一導電類型的半導體歐姆接觸區；所述第二導電類型的半導體區與所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區相互間隔，所述第二導電類型的半導體區與所述第一導電類型的半導體外延層構成PN結結構；所述PN結結構在器件工作時處於蓋革模式；位於所述第一導電類型的半導體外延層之上的第一透明介質層，所述第一透明介質層中設置有電阻層；所述電阻層與所述第二導電類型的半導體區通過金屬通孔連接，用於淬滅所述PN結結構的雪崩倍增過程；位於所述第一透明介質層之上的第二透明介質層，所述第二透明介質層中設置有第一金屬層和第一透明導電極板；所述第一透明導電極板位於所述PN結結構的正上方；所述第一透明導電極板與所述第二導電類型的半導體區通過金屬通孔連接；位於所述第二透明介質層之上的第三透明介質層，所述第三透明介質層中設置有第二金屬層和第二透明導電極板；所述第二透明導電極板位於所述PN結結構的正上方；所述第一透明導電極板與第二透明導電極板以及二者之間的透明介質層構成透明電容；位於所述第三透明介質層之上的抗反射塗層，用於減少入射光的反射。

優選的，所述有源區中設置有第二導電類型的半導體保護環結構，所述第二導電類型的半導體保護環結構位於所述第二導電類型的半導體區的外圍，並與所述第二導電類型的半導體區相接觸；所述第二導電類型的半導體保護環結構的結深大於所述第二導電類型的半導體區的結深；所述第二導電類型的半導體保護環結構的摻雜濃度低於所述第二導電類型的半導體區的摻雜濃度；所述第二導電類型的半導體保護環結構與所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區相互間隔。

優選的，所述電阻層為方塊電阻大於1KΩ/□的高阻多晶矽電阻層；或厚度小於100nm，方塊電阻大於1KΩ/□的高阻金屬薄膜電阻層。

優選的，所述第一導電極板和第二導電極板的材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、複合導電納米材料中的一種或幾種；所述第一導電極板和第二導電極板的厚度大於10nm且小於100nm，光透過率大於90％。

優選的，所述第一金屬層和第二金屬層均為透明導電層，其構成材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、複合導電納米材料中的一種或幾種，且所述透明導電層的厚度大於10nm且小於100nm，光透過率大於90％。

優選的，所述透明介質層的材料為二氧化矽。

優選的，所述抗反射塗層的材料為氮化矽、氮氧化矽、氮化鈦中的一種或幾種。

基於上述探測單元，本實用新型還提供了一種半導體光電倍增器件，包括如前所述的多個探測單元及金屬焊盤，其特徵在於：所述金屬焊盤位於所述第三透明介質層之上，其上表面未被所述抗反射塗層覆蓋，且與任一所述PN結結構在縱向上沒有交疊；所述多個探測單元共用一個第一導電類型的半導體歐姆接觸區，所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區通過金屬通孔與第一金屬焊盤相接；所述電阻層未與所述第二導電類型的半導體區相連接的一端通過第一金屬層相互互連，並通過金屬通孔與第二金屬焊盤相接；所述第一焊盤與第二焊盤用作電源輸入接口為器件提供偏置電壓；所述第二透明導電極板通過第二金屬層相互互連，並通過金屬通孔與第三金屬焊盤相接；所述第三金屬焊盤用作信號的輸出接口。

優選的，所述探測單元之間設置有光學隔離槽，所述光學隔離槽內填充有阻光材料。

本實用新型的有益效果是：

1.在半導體光電倍增器探測單元的光敏面上設置透明電容，可以用來降低探測單元以及器件的整體電容，從而改善半導體光電倍增器的時間特性，即減小輸出信號的上升時間常數和恢復時間常數。這不僅可以提高半導體光電倍增器光電信號的轉換速度，也可以提高基於半導體光電倍增器的應用系統的符合時間解析度。

2.透明電容保證了較高的光透過率，位於探測單元正上方的額外的電容並沒有使半導體光電探測器損失額外的探測面積，這保證了半導體光電探測器較高的探測效率。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步的說明，其中：

圖1是本實用新型提供的半導體雪崩倍增器件的探測單元結構示意圖；

圖2是本實用新型提供的帶有保護環結構的半導體雪崩倍增器件的探測單元結構示意圖；

圖3是本實用新型提供的帶有光學隔離槽的半導體雪崩倍增器件結構示意圖。

圖中，各標號的含義如下：10–半導體襯底；20–第一導電類型的半導體外延層；21–第二導電類型的半導體區；22–第一導電類型的半導體歐姆接觸區；23–第二導電類型的半導體保護環結構；24–光學隔離槽；30–第一透明介質層；31–電阻層；40–第二透明介質層；41-第一透明導電極板；42–第一金屬層；50–第三透明介質層；51–第二透明導電極板；52–第二金屬層；60–抗反射塗層；61–第一金屬焊盤；62–第二金屬焊盤；63–第三金屬焊盤；70–金屬通孔。

具體實施方式

如附圖1所示，本實用新型提供的一種半導體雪崩倍增器件的探測單元，包括半導體襯底10；位於所述半導體襯底10之上的第一導電類型的半導體外延層20，所述外延層靠近表面處設置有有源區，所述有源區中包含有第二導電類型的半導體區21和第一導電類型的半導體歐姆接觸區22；所述第二導電類型的半導體區21與所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區22相互間隔，所述第二導電類型的半導體區21與所述第一導電類型的半導體外延層20構成PN結結構；所述PN結結構在器件工作時處於蓋革模式；位於所述第一導電類型的半導體外延層20之上的第一透明介質層30，所述第一透明介質層30中設置有電阻層31；所述電阻層31與所述第二導電類型的半導體區21通過金屬通孔70連接，用於淬滅所述PN結結構的雪崩倍增過程；位於所述第一透明介質層30之上的第二透明介質層40，所述第二透明介質層40中設置有第一金屬層42和第一透明導電極板41；所述第一透明導電極板41位於所述PN結結構的正上方；所述第一透明導電極板41與所述第二導電類型的半導體區21通過金屬通孔70連接；位於所述第二透明介質層40之上的第三透明介質層50，所述第三透明介質層50中設置有第二金屬層52和第二透明導電極板51；所述第二透明導電極板51位於所述PN結結構的正上方；所述第一透明導電極板41與第二透明導電極板51以及二者之間的透明介質層構成透明電容；位於所述第三透明介質層50之上的抗反射塗層60，用於減少入射光的反射。

本實施例是通過採用外加電容的方式來減小探測單元的總體電容的。由於引入的電容為透明電容，保證了入射光具有較高的透射率，因而不會降低入射光的入射損失；同時，由於該透明電容位於探測單元的正上方，並沒有佔據額外的探測面積，因而不會減小半導體雪崩光電探測器的填充因子。上述兩方面的原因保證了本實用新型所提出的半導體雪崩光電探測器可以在改善器件時間性能的前提下而不損失其高探測效率。

如附圖2所示，為了進一步優化半導體光電倍增器的性能參數，本實用新型還提供了一種帶有保護環結構的探測單元。具體設置為：所述有源區中設置有第二導電類型的半導體保護環結構23，所述第二導電類型的半導體保護環結構23位於所述第二導電類型的半導體區21的外圍，並與所述第二導電類型的半導體區21相接觸；所述第二導電類型的半導體保護環結構23的結深大於所述第二導電類型的半導體區21的結深；所述第二導電類型的半導體保護環結構23的摻雜濃度低於所述第二導電類型的半導體區21的摻雜濃度；所述第二導電類型的半導體保護環結構23與所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區22相互間隔。所設置的第二導電類型的半導體保護環結構23可以使探測單元的PN結結構的體內電場分布更加均勻，均勻的電場分布也可在一定程度上改善探測器的時間特性。

在半導體光電倍增器件中，淬滅電阻的阻值通常在幾KΩ到幾MΩ之間。高阻值的電阻需要較長的電阻長度，而電阻作為功能性非探測結構會佔據一定的探測面積，這會降低器件的填充因子。因此淬滅電阻所佔據的面積越小越好。基於此，在本實用新型中，所述電阻層31設置為方塊電阻大於1KΩ/□的高阻多晶矽電阻層；或設置為厚度小於100nm，方塊電阻大於1KΩ/□的高阻金屬薄膜電阻層。

對於本實用新型中的透明電容，所述第一導電極板41和第二導電極板51的材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、複合導電納米材料中的一種或幾種；所述第一導電極板41和第二導電極板51的厚度大於10nm且小於100nm，光透過率大於90％。

為進一步降低入射光的光損失，所述第一金屬層42和第二金屬層52均為透明導電層，其構成材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、複合導電納米材料中的一種或幾種，且所述透明導電層的厚度大於10nm且小於100nm，光透過率大於90％；所述透明介質層30、40和50的材料為二氧化矽。

進一步的，所述抗反射塗層的材料為氮化矽、氮氧化矽、氮化鈦中的一種或幾種，用於保證探測器對光具有較高的吸收率。

如附圖3所示，本實用新型還公開了一種半導體光電倍增器件，包括如前所述的多個探測單元及金屬焊盤61、62和63，其特徵在於：所述金屬焊盤61、62和63均位於所述第三透明介質層50之上，其上表面未被所述抗反射塗層60覆蓋，且與任一所述PN結結構在縱向上沒有交疊；所述多個探測單元共用一個第一導電類型的半導體歐姆接觸區22，所述第一導電類型的半導體歐姆接觸區22通過金屬通孔70與第一金屬焊盤61相接；所述電阻層31未與所述第二導電類型的半導體區21相連接的一端通過第一金屬層42相互互連，並通過金屬通孔70與第二金屬62焊盤相接；所述第一焊盤61與第二焊盤62用作電源輸入接口為器件提供偏置電壓；所述第二透明導電極板51通過第二金屬層52相互互連，並通過金屬通孔70與第三金屬焊盤63相接；所述第三金屬焊盤63用作信號的輸出接口。

為降低半導體光電倍增器件的光學串擾，進一步提高其性能，所述探測單元之間設置有光學隔離槽24，所述光學隔離槽24內填充有阻光材料。

上述實施例是為便於該技術領域的普通技術人員能夠理解和使用本實用新型而描述的。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限於上述實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示，不脫離本實用新型範疇所做出的改進和修改都應該在本實用新型的保護範圍之內。