專利名稱：一種高增益雪崩二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)ξ⑷豕膺M行探測的雪崩二極管。
背景技術(shù)：
目前，光子計數(shù)器件主要使用基于真空管技術(shù)的光電倍增管 PMT(Photomultiplier tube)和基于半導(dǎo)體技術(shù)的雪崩二極管(Avalanche Photon Diode, APD)。光電倍增管具有增益高，測試面積大，計算速率快，和時間分辨率高等優(yōu)點，然而，其在可見光范圍的量子效率很低，體積大，高壓工作OOO 600V)，易破損，昂貴，嚴(yán)重限制了光電倍增管的應(yīng)用范圍。與光電倍增管相比，雪崩二極管不僅光子探測效率高，特別是在紅光和近紅外波長范圍內(nèi)，而且體積小，可靠性高，功耗小，易集成，并與CMOS工藝兼容。作為光子計數(shù)器件的雪崩二極管，在蓋格(Geiger)工作模式下，使器件的偏置電壓V大于雪崩擊穿電壓Vb，當(dāng)吸收的光子產(chǎn)生光生載流子，并進入到雪崩區(qū)，在高的反向電場的作用下，觸發(fā)雪崩，從而產(chǎn)生一個從nA數(shù)量級飛速增加到mA數(shù)量級的雪崩電流信號， 這個信號就意味著探測到光信號。然而，現(xiàn)有的雪崩二極管普遍由于熱生載流子和高場產(chǎn)生的隧道電流的存在，現(xiàn)有的雪崩二極管存在室溫下暗電流大的問題，這樣直接導(dǎo)致信噪比小，增益低，因此通常需要低溫下工作。為了克服這些缺點，我們提出了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高增益雪崩二極管結(jié)構(gòu)，具有增益高、暗電流小的特點ο為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種雪崩二極管結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括有依次縱向?qū)盈B的η型歐姆接觸電極101，由η型重?fù)诫s層102，電荷倍增區(qū)103，ρ型重?fù)诫s層104組成的雪崩區(qū)，吸收區(qū)107，吸收區(qū)107上設(shè)有ρ型歐姆接觸電極105和ρ型歐姆接觸層106， 其特征在于，雪崩區(qū)橫向尺寸為納米級尺寸。進一步，雪崩區(qū)橫向尺寸小于500nm。當(dāng)在η型歐姆接觸電極101和ρ型歐姆接觸電極105之間加反偏壓，即可實現(xiàn)光子探測。本發(fā)明適用于Si、GaAs、GaN、hP、Ge、SiC、SOI、GOI 等材料；本發(fā)明的探測波長范圍適用于紅外、可見光、紫外、太赫茲等波段；本發(fā)明中的雪崩區(qū)尺寸小于500nm，有利于減小漏電流，從而提高增益；本發(fā)明中的物理結(jié)構(gòu)屬于將吸收區(qū)和雪崩區(qū)分離的結(jié)構(gòu)，能夠形成倒扣漏斗形的電場，有利于載流子吸收；本發(fā)明中ρ型歐姆接觸層106、n型重?fù)诫s層102、p型重?fù)诫s層104可以用離子注入方式形成，也可以用擴散的方式形成；
本發(fā)明中ρ型歐姆接觸電極105和η型歐姆接觸電極101可以為透明電極，也可以為不透明電極；本發(fā)明的雪崩二極管，可以為正面入射，也可以為背面入射。該高增益雪崩二極管，由于采用了納米尺寸的雪崩區(qū)結(jié)構(gòu)，在ρ型歐姆接觸層 106、η型重?fù)诫s層102、ρ型重?fù)诫s層104共同作用下，使得在器件內(nèi)部形成的電場分布的形狀像倒扣的漏斗一樣，這在現(xiàn)有的雪崩二極管的內(nèi)部電場中無法獲得的，該電場有利于光生載流子直接輸運到雪崩區(qū)，減小流經(jīng)表面的機會，因此大大減小表面復(fù)合電流。同時， 由于雪崩區(qū)域尺寸小，漏電流也大大降低，使得暗電流大大降低。因此，該高增益雪崩二極管能夠大大降低器件總的暗電流，從而提高器件增益，提高探測頻率。從圖3器件制備的實際測試結(jié)果可以看出，隨著器件尺寸下降，由于暗電流下降， 增益不斷提高。而雪崩區(qū)為IOym的結(jié)果，與現(xiàn)有常規(guī)的雪崩二極管的增益相當(dāng)，這個結(jié)果說明了該發(fā)明器件具有高增益的特點。


圖1 根據(jù)本發(fā)明提出的高增益雪崩二極管的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中101、η型歐姆接觸電極，102、η型重?fù)诫s層，103、電荷倍增區(qū)，104、ρ型重?fù)诫s層，105、ρ型歐姆接觸電極，106、ρ型歐姆接觸層，107、光吸收區(qū)；圖2 本發(fā)明提出的高增益雪崩二極管的制備方法如下圖3 增益與雪崩區(qū)尺寸的關(guān)系圖。
具體實施例方式如圖2所示，其制備過程和方法如下1、在高阻的硅襯底正面依次注入磷和硼，分別形成η型重?fù)诫s層102和ρ型重?fù)诫s層104，摻雜濃度分別為IO18CnT3和5Χ 1017cnT3。由η型重?fù)诫s層102和ρ型重?fù)诫s層104 之間無注入?yún)^(qū)形成電荷倍增區(qū)103 ；2、光刻，ICP刻蝕，定義直徑為500nm的納米雪崩區(qū)，形成臺面結(jié)構(gòu)；3、光刻，在納米雪崩區(qū)兩側(cè)注入硼，摻雜濃度為1019cnT3，形成ρ型歐姆接觸層 106 ；4、采用濺射或者蒸發(fā)，在η型重?fù)诫s層102和ρ型歐姆接觸層106上面分別淀積厚度為500nm的金屬Al，形成η型歐姆接觸電極101和ρ型歐姆接觸電極105 ；5、合金，切割，得到本發(fā)明的高增益雪崩二極管。在光照情況下，在η型歐姆接觸電極101和ρ型歐姆接觸電極105加反偏電壓獲得光信號的探測。圖3是器件制備的實際測試結(jié)果，從圖3可以看出，隨著器件尺寸下降，由于暗電流下降，增益不斷提高。而雪崩區(qū)為IOym的結(jié)果，與現(xiàn)有常規(guī)的雪崩二極管的增益相當(dāng)， 這個結(jié)果說明了該發(fā)明器件具有高增益的特點。至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種高增益雪崩二極管，包括有依次縱向?qū)盈B的η型歐姆接觸電極，由η型重?fù)诫s層，電荷倍增區(qū)，P型重?fù)诫s層組成的雪崩區(qū)，吸收區(qū)，吸收區(qū)上設(shè)有P型歐姆接觸電極和P 型歐姆接觸層，其特征在于，雪崩區(qū)橫向尺寸為納米級尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益雪崩二極管，其特征在于，雪崩區(qū)橫向尺寸小于 500nmo
全文摘要
一種高增益雪崩二極管涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)ξ⑷豕膺M行探測的雪崩二極管?，F(xiàn)有的雪崩二極管普遍由于熱生載流子和高場產(chǎn)生的隧道電流的存在，存在室溫下暗電流大的問題，這樣直接導(dǎo)致信噪比小，增益低，因此通常需要低溫下工作。高增益雪崩二極管包括有依次縱向?qū)盈B的n型歐姆接觸電極，由n型重?fù)诫s層，電荷倍增區(qū)，p型重?fù)诫s層組成的雪崩區(qū)，吸收區(qū)，吸收區(qū)上設(shè)有p型歐姆接觸電極和p型歐姆接觸層，其特征在于，雪崩區(qū)橫向尺寸為納米級尺寸。該高增益雪崩二極管能夠大大降低器件總的暗電流，從而提高器件增益，提高探測頻率。
文檔編號H01L31/0352GK102214724SQ20111015935
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者關(guān)寶璐, 周弘毅, 郭帥, 郭霞, 陳樹華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)