[发明专利]一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器及探测方法。

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如碳化硅等材料制作的具有“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，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在高能物理探测、射线探测、生物医学、量子通信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，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：具有多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，以下简称为MDR-ADD(Multi Drift Rings Avalanche Drift 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。MDR-ADD的基本结构是以大面积P-WELL耗尽沟道吸收区结构和侧向多个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，以多个漂移环结构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。

MDR-ADD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。适合于对穿透深度较浅的软X射线及紫外光的探测。在核医学成像、高能物理，天文探测等领域具有广泛的应用前景。

应用于多单元集成时，采用MDR-ADD结构的紫外光探测器可以方便的解决单元面积与输出电容要求之间的矛盾，可以在保持低的输出电容的同时提供很高的填充因子(大于70％)和探测效率。同时，由于采用很小面积的点状雪崩区，高场区面积大大减小，可以有效减小漏电流和暗记数(相比于相同有效探测面积的器件)。MDR-ADD采用正面入射方式，入射面电极可以采用透明导体，例如氧化铟锡(ITO)膜作为电极材料，有效减小电极对光的遮挡和吸收。对远紫外光到近紫外光波段都敏感。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，其有效解决了现有技术中存在的问题。本发明的另一目的在于提供一种使用本发明的探测器进行探测的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多漂移环结构的紫外雪崩漂移探测器，所述探测器的每个器件单元从上至下依次包括SiO₂层、P-well或N-well、衬底和背面电极；其中，所述SiO₂层的中心设置有CE电极，SiO₂层下方的所述P-well或N-well内沿P-well或N-well的周向设置有若干个漂移环；SiO₂层的外围周向设置有接地环GND。

进一步，所述CE电极由P+N或N+P构成的点状雪崩二极管结构构成。

进一步，所述探测器宽禁带半导体材料制成，所述宽禁带半导体材料的厚度为0.05毫米-0.5毫米；。

进一步，所述探测器由N型或P型碳化硅单晶片制成。