[实用新型]一种体电阻淬灭雪崩光电二极管阵列探测器

说明书

本实用新型公开了一种体电阻淬灭雪崩光电二极管阵列探测器，所述探测器的每个雪崩二极管器件单元从上至下依次包括阳极电极、减反射钝化层、N+区、P+雪崩结、P‑外延层及体淬灭电阻区、P+掩埋隔离区、P++衬底和背面阴极电极。本申请采用半导体材料来制作，各雪崩二极管单元通过外延P‑区的自体寄生体电阻实现雪崩的淬灭，雪崩区单元面积小，单元密度高；该结构通过P+掩埋隔离结构及N+区反向耐压工作时的自耗尽区，使各雪崩二极管单元的体电阻区实现自隔离，避免由于临近单元激发或工作电压漂移导致的耗尽区宽度变化引起的体电阻阻值涨落而导致的增益的漂移，增强探测器的抗噪声特性。

技术领域

本实用新型属于H01L 27/00类半导体器件领域，具体涉及一种具有掩埋隔离结构的体电阻淬灭雪崩光电二极管阵列探测器。

背景技术

弱光探测器技术在高能物理、天体物理及核医学成像等领域具有非常重要的应用。目前应用最广泛的弱光探测器主要是光电倍增管 (PMT)。但 PMT 存在体积大、工作电压和功耗高、容易损坏、受光阴极限制探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，限制了它在许多场合的应用。随着半导体光探测器的发展，一种被称为硅光电倍增探测器 (Silicon photo-multiplier，SiPM) 或单光子雪崩二极管阵列探测器（SPADs，Single Photon avalanche Diodes array detectors）或多单元光子计数器 (Multi-Pixel Photon Counters，MPPC) 的高灵敏半导体光探测器在弱光探测领域越来越受到重视。这种光探测器一般由几百至几千个尺寸为几至上百微米的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD) 单元单片集成在同一个硅片上构成，每一个 APD 单元都串联一个约几百千欧姆的电阻 ( 即雪崩淬灭电阻 ) 用以控制 APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。所有 APD 单元并联输出，共用 1 个负载，每一个 APD 单元工作在盖革模式(Geiger mode) 下，即偏置电压比其击穿电压高。当某一个 APD 单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将触发雪崩击穿，光电转换增益可达 105 -106 。相比于传统的光电倍增管，SPADs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。SPADs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SPADs探测器技术处在快速发展阶段，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，限制了其实际应用。新的器件结构设计和工艺改进正在积极地探索中。探测效率与动态范围之间存在矛盾关系。SPADs的雪崩淬灭电阻普遍采用位于器件表面的掺杂多晶硅电阻条，多晶硅一般采用化学气相沉积(CVD) 方法制备。若要提高探测效率，需要采取 APD 单元数量较少，每一个单元面积较大的探测器结构，但这样容易导致 2 个或 2 个以上光子同时被同一个 APD 单元接收的概率，导致在较低的光子计数率下探测器输出饱和，动态范围受到限制。若要避免光子计数率饱和，就需要采取 APD 单元面积小、数目多的探测器结构。这样一来探测器表面的多晶硅电阻条、金属 Al 互联线、保护环占据的“死区”面积比例随 APD 单元面积缩小而增加，至使光敏面积与探测器总面积之比 ( 几何填充因子 ) 降低，必然牺牲探测效率。针对这个矛盾，国内外研究机构研制出了利用外延层自体电阻作为单元淬灭电阻的SPADs探测器，其结构如图1所示，能消除位于表面的电阻材料及其互联铝线对光的遮挡和吸收，减小光敏区中的“死区”面积，使得 APD 单元面积小、密度高、填充因子高，探测效率与动态范围能够较好地得到兼顾。然而，这种体电阻淬灭结构器件在外加工作偏压波动或临近单元被激发（暗电流激发或光子激发）时，单元体电阻会由于周围耗尽区面积的变化而涨落，从而使得单元的增益涨落而导致光子探测分辨率变差。

实用新型内容