[发明专利]一种具有自熄灭自恢复功能的雪崩光电二极管

说明书

技术领域

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

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。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 Diode,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。

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：

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。

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，其特征在于：

包括有依次纵向层叠的第一n型层101、第二n型层102、电荷倍增区104、p型层105和衬底106，其特征在于：第一n型层101、第二n型层102中间有电子势阱层103；实现电子势阱有两种方法，一种是电子势阱层103采用p型材料，当与n型层101，102形成pn结后，能带上升，使得n型层101和102的电子位置能量均低于电子势阱层103，从而在n型层101和102中形成了电子势阱，能带图如图2(a)所示。第二种方法是电子势阱层103采用n型层101和102掺杂浓度二倍以上(上限为掺杂工艺极限浓度)的n⁺型材料，在形成nn⁺结后，在电子势阱层103中形成了电子势阱，能带图如图2(b)所示。

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，雪崩产生的大量电子在第一种方法形成的电子势阱区n型层101和102中堆积，或者在第二种方法形成的电子势阱在电子势阱层103中堆积，积累的电子与雪崩产生的空穴能够产生与外加偏压相反的电场，从而导致电荷倍增区104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，不再有新的电子产生，而堆积在电子势阱中的电子不断逃逸出电子势阱，最终使得电荷倍增区104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。

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n型层101和102，电荷倍增区104，p型层105，衬底106，没有电子势阱区结构。

本发明提出的结构适用于使用离子注入的方法形成，也适用于扩散的方式，也适用于分子束外延和金属有机气相沉积方法形成；

本发明的所有结构层材料适用于Si、GaAs、GaN、InP、Ge、SiC、SOI、GOI材料；

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；

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；

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。

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模拟结果。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。

附图说明：