專利名稱：微通道雪崩光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光敏器件，具體地涉及具有信號(hào)的內(nèi)部放大的半導(dǎo)體 雪崩光電二極管。提出的微通道雪崩光電二極管可以用于在醫(yī)學(xué)伽馬層析X
射線照相法(medical gamma tomography)裝置中記錄超微弱的光脈沖，直 到單個(gè)光子以及伽馬量子(gamma quant)和帶電粒子，還應(yīng)用于輻射檢測 和原子物理實(shí)驗(yàn)。
背景技術(shù)：
器件[l]是已知的，其包括半導(dǎo)體襯底；以及半導(dǎo)體區(qū)域的矩陣，具有 與襯底的相反的導(dǎo)電類型，并通過具有特定電導(dǎo)率的緩沖_電阻層與半透明 的場電極分開。光電子的雪崩放大在襯底與半導(dǎo)體區(qū)域之間的邊界上發(fā)生。 然后雪崩電流通過位于這些區(qū)域上的電阻層向半透明的電極流動(dòng)。此器件的 缺點(diǎn)是，由于緩沖層和高摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域的差的透明性，在光譜的可見和 紫外區(qū)域中量子輸出低。此外，形成在半導(dǎo)體區(qū)域之間的光電子不可能被放 大，這導(dǎo)致器件的靈敏度減小。
器件[2]是已知的，其包括半導(dǎo)體襯底，具有n型電導(dǎo)率；以及外延層， 具有p型電導(dǎo)率并通過電阻層和介電層與襯底分開。具有n型電導(dǎo)率的分離 的半導(dǎo)體區(qū)域形成在介電層里面，并在電阻層的一側(cè)上和外延層的另 一側(cè)上 露出。具有n型電導(dǎo)率的高摻雜區(qū)域保證在通過介電層的區(qū)域彼此分離的p-n
層和電阻層)的表面上生長的外延層。因此該器件的主要缺點(diǎn)是制備此外延 層的技術(shù)的復(fù)雜性和大量的暗電流，這導(dǎo)致器件的靈敏度和信噪比的惡化。 器件[3]也是已知的，其已經(jīng)作為原型，其包括半導(dǎo)體襯底和與襯底形成 p-n結(jié)的半導(dǎo)體層。襯底的表面包括與襯底相比具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的分離的 半導(dǎo)體區(qū)域的矩陣。在該原型中，采用半導(dǎo)體區(qū)域以建立保證信號(hào)放大的分 離的雪崩區(qū)域(微通道)。該器件的缺點(diǎn)是在發(fā)生光電子的放大的界面區(qū)域 中不能控制的局部微火花放電(micro-sparkover )的出現(xiàn)(以及在操作的過程中形成)。這里的問題是，半導(dǎo)體區(qū)域直接地位于形成在襯底-半導(dǎo)體界
面上的p-n結(jié)界面上。因此4艮據(jù)導(dǎo)電類型，半導(dǎo)體區(qū)域在它們之間或通過半
導(dǎo)體層的電中性部分或通過襯底具有電荷和電流的連接。換句話說，器件在 發(fā)生雪崩過程的分離的區(qū)域中并不具有實(shí)現(xiàn)的對電流的局域化限制。為了在
器件的整個(gè)區(qū)域上獲得大量的雪崩過程，具有減'J、的火花;改電電勢的 一個(gè)或 幾個(gè)區(qū)域并不允許器件電壓的增大。這樣，器件具有有限的雪崩過程的放大 因子，該放大因子是雪崩光電二極管靈敏度等級(jí)的指示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提高信號(hào)放大的穩(wěn)定性并增大在光譜的可見和紫外區(qū)域中 雪崩光電二極管的靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)效果，由分離的固態(tài)區(qū)域 (solid-state area)組成的至少一個(gè)矩陣形成在雪崩光電二^f及管中，該固態(tài)區(qū) 域具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率并且在所有的側(cè)面被具有一種類型的電導(dǎo)率的半導(dǎo)體
材料包圍，該雪崩光電二極管包括半導(dǎo)體襯底和具有不同的電物理參數(shù)的半 導(dǎo)體層。固態(tài)區(qū)域位于兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層之間，兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層和與 其具有公共界面的半導(dǎo)體層相比具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率。而且，具有增強(qiáng)的電導(dǎo)
位于沿半導(dǎo)體層的公共界面。
根據(jù)實(shí)施器件的變量，具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的固態(tài)區(qū)域由與半導(dǎo)體層之一 相同但具有不同導(dǎo)電類型的材料形成、由相對于半導(dǎo)體層的材料具有窄帶的 半導(dǎo)體以及金屬材料形成。這導(dǎo)致在垂直于襯底平面的方向上器件中交替的
p-n結(jié)或異質(zhì)結(jié)或金屬-半導(dǎo)體結(jié)的形成。
因此，分離的電勢孔(potential hole)的至少一個(gè)二維矩陣在器件中形 成，該分離的電勢孔位于具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的額外的半導(dǎo)體層之間。具有增 強(qiáng)的電導(dǎo)率的固態(tài)區(qū)域的兩個(gè)或多個(gè)矩陣的形成導(dǎo)致器件的靈敏度的大的 改善和信號(hào)幅度的穩(wěn)定性。


圖1A到1C示出具有一個(gè)和兩個(gè)矩陣的固態(tài)區(qū)域的微通道雪崩光電二 極管的橫截面。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明由圖l示出，圖中示出具有一個(gè)和兩個(gè)固態(tài)區(qū)域的矩陣的微通道 雪崩光電二極管的橫截面，該固態(tài)區(qū)域位于具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的額外的半導(dǎo)
體層之間。器件在半導(dǎo)體襯底1的基礎(chǔ)上制造，該襯底l例如是具有n型電 導(dǎo)率并且電阻率為1 Ohn^cm的硅。開始，具有n型電導(dǎo)率和O.l Ohm*cm 電阻率的第一額外半導(dǎo)體層2通過〗參入磷的局部擴(kuò)散在半導(dǎo)體襯底的工作區(qū) 域中形成。然后具有p型電導(dǎo)率和在1-100 Ohm*cm的范圍內(nèi)的電阻率的硅 半導(dǎo)體層3通過分子束外延在襯底的表面上生長，該硅半導(dǎo)體層與第一額外 半導(dǎo)體層形成p-n結(jié)。具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的固態(tài)區(qū)域4通過由磷原子對半導(dǎo) 體層的離子摻雜而形成。摻雜的劑量選擇在5-100 pCi/cm2的范圍內(nèi)。在900 。C的溫度對缺陷退火后，具有n型電導(dǎo)率和0.01 Ohm*cm電阻率的區(qū)域或島 在半導(dǎo)體層中形成，該區(qū)域或島在所有的側(cè)面被具有p型電導(dǎo)率和1-100 Ohn^cm范圍內(nèi)的電阻率的半導(dǎo)體材料包圍。然后，具有大約0.01 Ohm*cm 的電阻率的第二額外半導(dǎo)體層5通過離子摻入硼在半導(dǎo)體層3的表面上形 成。這導(dǎo)致在垂直于襯底平面的方向6上交替的p-n結(jié)在器件的體內(nèi)形成， 從而交替的p-n結(jié)位于具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層之間。
根據(jù)實(shí)施器件的變量，具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的固態(tài)區(qū)域還由被硅材料圍繞 的鍺或鈦的團(tuán)簇形成。為了鍺或鈦的團(tuán)簇可以在硅半導(dǎo)體層的體內(nèi)形成，鍺 或鈦的摻雜劑量選擇在1000laCi/cr^以上。然后，在垂直于襯底平面的方向 上交替的p-n結(jié)或金屬-半導(dǎo)體結(jié)在器件中形成。
固態(tài)區(qū)域的橫截面尺寸和它們之間的間隙由特定的光模板決定，通過該 光模板在用于半導(dǎo)體層的局部摻雜的光致抗蝕劑或特定的掩模中打開窗口 。 在摻雜的工藝中離子的能量根據(jù)嵌入的注入原子的所需深度選擇。然后制備
器件的已知的部件如工作區(qū)域周圍的保護(hù)環(huán)或深溝槽以及接觸電極。
與原型不同，所提出器件中光電流的雪崩放大只在固態(tài)區(qū)域與半導(dǎo)體層 的邊界中發(fā)生，這些邊界本身代表與方向6—致的電荷載流子的單獨(dú)的放大 通道。這由于在方向6上具有交替的電勢勢壘的區(qū)域被處于方向7上的p-n 結(jié)區(qū)域圍繞。在操作模式中，電壓施加到半導(dǎo)體層的頂電極，該電壓具有對 應(yīng)于半導(dǎo)體襯底的來自電荷的主載流子的耗盡的極性。這樣，倍增通道中的
中間結(jié)在正方向上偏移，兩個(gè)外部的結(jié)在相反的方向上偏移。處于倍增通道 之間的p-n結(jié)區(qū)域也在相反的方向上變得偏移。而且，具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率的第一額外半導(dǎo)體層限制了襯底中電場的擴(kuò)展，這樣它保證產(chǎn)生的暗電流(dark generation current)的減小和雪崩過程只在器件的工作區(qū)域中擴(kuò)展。具有增強(qiáng) 的電導(dǎo)率的第二額外半導(dǎo)體層限制了來自外側(cè)的電場并保證沿器件的光敏 表面的電勢的一致性。因此，器件里面電勢的分布的形式被獲得從而激發(fā)形 成于上光敏半導(dǎo)體層的光電子向電勢微孔(micro-hole)聚集。光電子的放 大在倍增的第一通道從頂?shù)降装l(fā)生，在正方向偏移的下一個(gè)結(jié)起到倍增的電 子聚集的深度為大約0.5-1V的電勢孔的作用。電子在上述電勢孔中幾納秒 時(shí)間的積累導(dǎo)致雪崩區(qū)域中(也就是第 一結(jié)的邊界區(qū)域中)電場的急劇減小， 作為其結(jié)果在給定倍增通道中的雪崩過程停止。然后，經(jīng)過在雪崩過程不連 續(xù)之后的幾十納秒的時(shí)間，積累的電子由于第三結(jié)的足夠的泄露而進(jìn)入襯底 中。這樣，光電子的雪崩倍增在單獨(dú)的倍增通道中發(fā)生，該倍增通道在它們 之間不具有電荷連接。由于此，改善了操作的穩(wěn)定性并增大了雪崩光電二極 管的靈敏度。
信息來源
1. Gasanov A. G. et al. Patent of the Russian Federation No. 1702831 from June 27, 1997. Application 4747595/25 from October 11, 1989 (類比)。
2. Antich RR， et al. US Patent No. 5844291 from December 1， 1998, Class: H OIL 31/107; H 01 L 31/06. Application No. 771207 from December 10, 1996 (類比)。
3. Sadygov Z. Y., Patent of Russia No. 2102821 from January 20, 1998， Class: H 01 L 31/06. Application No. 96119670 from October 10, 1996 (原型)。
權(quán)利要求
1.一種雪崩光電二極管，包括襯底和具有不同的電物理性能的半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層在它們之間以及與襯底之間具有公共的界面，特征在于在器件中存在由分離的固態(tài)區(qū)域組成的至少一個(gè)矩陣，所述固態(tài)區(qū)域具有增強(qiáng)的電導(dǎo)率并被具有一個(gè)和相同的導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料圍繞，從而所述固態(tài)區(qū)域處于兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層之間，所述額外的兩個(gè)半導(dǎo)體層和與其具有公共界面的所述半導(dǎo)體層相比具有較高的電導(dǎo)率。
2. 如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，區(qū)別在于所述固態(tài)區(qū)域由與 圍繞它們的半導(dǎo)體層相同的材料制成，但具有相對于所述半導(dǎo)體層的相反的 導(dǎo)電類型。
3. 如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，區(qū)別在于所述固態(tài)區(qū)域由相
4. 如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，區(qū)別在于所述固態(tài)區(qū)域由金 屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明的微通道雪崩光電二極管涉及半導(dǎo)體光敏器件，也就是具有內(nèi)部信號(hào)放大的半導(dǎo)體雪崩光電二極管。所述微通道雪崩光電二極管可以用于在醫(yī)學(xué)伽馬層析x射線照相裝置中記錄超微弱的光脈沖直到單個(gè)光子、伽馬量子和帶電粒子，還用于輻射檢測和原子物理實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的器件特征在于，雪崩光電二極管包括襯底和具有不同的電物理性能的半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層在其間以及與襯底之間具有公共的界面，該雪崩光電二極管還設(shè)置有單獨(dú)的固態(tài)區(qū)域的至少一個(gè)二維矩陣，該單獨(dú)的固態(tài)區(qū)域形成在該二維矩陣中并實(shí)施為用于形成電勢微深度的高導(dǎo)電的島的形式。為了減小體積內(nèi)產(chǎn)生電流并改善沿器件表面的電勢分布的均勻性，固態(tài)區(qū)域位于兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層之間，該兩個(gè)額外的半導(dǎo)體層相對于與它們具有公共界面的半導(dǎo)體層表現(xiàn)出高的電導(dǎo)率。所述發(fā)明使得可以在器件體內(nèi)獲得此電勢分布形式，其允許光電子在單獨(dú)的固態(tài)區(qū)域上收集。
文檔編號(hào)G01T1/34GK101675532SQ200780024920
公開日2010年3月17日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月1日
發(fā)明者齊拉丁·Y·薩迪戈夫 申請人:澤科泰克影像系統(tǒng)新加坡有限公司