[发明专利]具有漂移沟道的紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法

说明书

本发明公开了具有漂移沟道的紫外雪崩光电二极管探测器，该探测器的每个器件单元从上至下依次包括CE电极、SiO₂层、N‑CHANNEL、P‑well或N‑well、衬底和背面电极；CE电极嵌入在SiO₂层的中心；P‑well或N‑well由对称设置在器件单元左右两侧的两部分构成；N‑CHANNEL设在SiO₂层下方，两部分P‑well或N‑well的上方；N‑CHANNEL的上部中心设置有点状雪崩二极管，点状雪崩二极管与CE电极电连通；SiO₂层上由内到外依次设置有内漂移环、外漂移环和接地GND，接地GND与P‑well或N‑well电连通。本申请的探测器在雪崩倍增高场区域比较小的同时保证大面积的光探测区域，提高了量子效率；减小雪崩区域的面积，有助于减小暗电流和暗激发，同时对于晶片质量和缺陷的容忍度提高，防止了大面积雪崩倍增高场区在缺陷位置的提前击穿。

技术领域

本发明属于H01L 27/00类半导体器件领域，具体涉及一种具有漂移沟道的紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法。

背景技术

雪崩光电二极管探测器(APD)，应用于弱光探测。而用第三代宽禁带半导体材料(例如SiC，GaN等)制作的具有“日盲”特性的紫外光探测器，可在高温下工作而不需要昂贵笨重的制冷系统，且抗辐射、具有高的近紫外响应。因其在航天，天文探测及军事方面的卓越特性，一直是研究热点。

相比于传统的光电倍增管，紫外APD具有单光子响应、增益较大、对磁场不敏感、制作工艺简单、成本低、体积小、易于CMOS工艺集成、工作电压低、比较安全等优点，近年来得到了迅速发展。紫外APD在天文探测、射线探测、生物医学、航天，火箭技术以及其他弱光探测领域的应用都是当今研究的热点。

但是，由于目前紫外APD技术发展还不成熟，还有很多缺点，如探测效率低(40％)，对远紫外光不敏感、暗电流大、信噪比低等缺点，限制了紫外APD的实际应用。新的器件结构设计和工艺改进正在积极地探索中。紫外APD由雪崩倍增结区和吸收漂移区组成。现有的紫外APD探测效率低主要是由于其雪崩区面积大，暗激发和暗电流噪声大，信噪比低。由于时间相关性测量以及器件工作性能的要求，单元输出电容不能太大，暗计数和漏电流越低越好，即要求雪崩区的面积不能太大。

针对上述问题，本发明的目的是提出一种新型的雪崩探测器单元结构---具有漂移沟道结构的紫外雪崩二极管探测器，以下简称为DC-APD(Drift Channel AvalanchePhoto Detector)。它既可以作为APD的基本探测单元而大规模集成，也可以制作成大面积的单元探测器。DC-APD的基本结构是以大面积P-WELL耗尽沟道吸收区结构和侧向N分压N-Channel漂移环以及衬底构成的反偏PN结共同形成的漂移区作为光探测的有源区并在其中形成一条光生载流子(空穴或电子)能谷漂移通道，以内外漂移环及分压电阻结构的N-channel在通道中产生成较均匀的侧向漂移电场，而以位于单元中心的点状雪崩二极管作为光生载流子(空穴或电子)的收集区。没有文献报道或实际应用这种结构用于碳化硅紫外探测器。

DC-APD结构用于制作单元大面积探测器时，雪崩区与光子收集区域分开，雪崩结区较小，能制作出比较低雪崩电压的器件；同时在雪崩倍增高场区域比较小的同时保证大面积的光探测区域，提高了量子效率；减小雪崩区域的面积，有助于减小暗电流和暗激发，同时对于晶片质量和缺陷的容忍度提高，防止了大面积雪崩倍增高场区在缺陷位置的提前击穿。器件的有源区全耗尽，减小了光生载流子的复合，提高了探测效率；同时其输出电容比传统大面积雪崩结APD小，其电子学噪声一般小于具有同样通光窗口面积和光吸收区厚度的常规雪崩光电二极管；小的电容也能提高器件的频率响应。