一種探測雪崩效應(yīng)的原位裝置及其探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體設(shè)及一種探測雪崩效應(yīng)的原位裝置及其探測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子-空穴對。一個 電子被碰撞出了一個電子和空穴，于是一個載流子變?yōu)榱甩畟€載流子。運(yùn)Ξ個載流子（電子 和空穴)在強(qiáng)電場作用下，向相反的方向運(yùn)動，還會繼續(xù)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生第Ξ代的電子-空穴 對。最原始的電子也會如此產(chǎn)生第二代、第Ξ代的載流子。如此繼續(xù)下去，載流子就大量增 加，運(yùn)樣繁殖載流子的方式稱為載流子的雪崩效應(yīng)。
[0003] 目前，基于雪崩效應(yīng)的半導(dǎo)體器件的制備W及性能的研究工作得到了科研人員極 大的重視。CN101387658B的專利公開了一種自動測試雪崩光電二極管雪崩電壓值的測定電 路與方法，該發(fā)明基于自動控制原理，自動調(diào)整安全偏置電壓，通過比較采樣得到的電流值 和預(yù)設(shè)值來判斷雪崩擊穿工作區(qū)，并將結(jié)果顯示在微機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面。CN103299437A的 專利申請公開了一種用于在CMOS集成電路中使用的單光子雪崩二極管。CN102800717B的專 利公開了一種PIN結(jié)構(gòu)紫外雪崩光電探測器及其制備方法，其利用區(qū)域選擇生長的P型輕滲 雜GaN保護(hù)環(huán)來減少探測器漏電流，抑制邊沿提前擊穿，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高增益的紫外雪崩光電 探測。CN103077996A的專利申請公開了一種雪崩光電探測器和提高雪崩光電探測器高頻特 征的方法，所述雪崩光電探測器用于探測目標(biāo)探測光，并包括縱向依次排列多層結(jié)構(gòu)。 CN103268898B公開了一種雪崩光電光電探測器及其高頻特性提高方法。CN201885758U的實(shí) 用新型專利提供了一種雪崩光電探測器及光能檢測裝置。
[0004] 由于雪崩開關(guān)過程迅速，從目前的研究來看，人們對于調(diào)控雪崩電離過程的手段 還十分缺乏，因此如何設(shè)計一套原位裝置去準(zhǔn)確探測雪崩放電具體過程，具有一定的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種探測雪崩 效應(yīng)的原位裝置及其探測方法，準(zhǔn)確探測雪崩效應(yīng)具體放電過程并能檢測肖特基結(jié)質(zhì)量， 可用于探測多種雪崩效應(yīng)器件。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種探測雪崩效應(yīng)的原位裝置，包括基底、基底表面絕緣層、金屬電極和探測電壓 表，基底表面絕緣層原位生長在基底表面，金屬電極設(shè)有兩個、分別為第一電極和第二電 極，第一電極和第二電極均位于基底表面絕緣層上且均位于基底的中屯、線位置，探測電壓 表的兩端分別與第一電極和第二電極連接，第一電極和第二電極通過基底及探測電壓表形 成一個探測回路。
[000引按上述方案，所述基底為Si、Ge、GaSb、InSb、InP、GaP、InAs、GaAs或Ag2S半導(dǎo)體材 料中的一種，且基底的半導(dǎo)體材料與雪崩效應(yīng)區(qū)的半導(dǎo)體材料一致(同一體系）。
[0009] 按上述方案，所述基底表面絕緣層的材料為Si〇2、Si3N4、AlN、Cr2〇3、Ti〇2、ZnO、Fe2〇3、MgO、AI2O3、化2〇 或K2O。
[0010] 按上述方案，所述金屬電極選用4邑爪、(：〇、41前、化、？13、111、411、〇1、胖或？沖的一 種。
[0011] 按上述方案，所述金屬電極的功函數(shù)與基底的功函數(shù)存在差異，金屬電極與基底 之間形成阻擋層。
[0012] 按上述方案，所述探測回路的電極結(jié)構(gòu)是金屬電極/基底表面絕緣層/半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種基于上述探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的探測方法，包括如下步 驟：
[0014] 1)將探測雪崩效應(yīng)的原位裝置與雪崩效應(yīng)區(qū)連接，雪崩效應(yīng)區(qū)是由金屬/絕緣體/ 半導(dǎo)體或者P型半導(dǎo)體A型半導(dǎo)體/η型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成的雪崩效應(yīng)器件，探測雪崩效應(yīng)的 原位裝置的基底與雪崩效應(yīng)區(qū)的半導(dǎo)體連接，基底的半導(dǎo)體材料與雪崩效應(yīng)區(qū)的半導(dǎo)體材 料一致；
[0015] 2)在雪崩效應(yīng)區(qū)輸入電流大小可變的穩(wěn)恒電流；
[0016] 3)逐步增加穩(wěn)恒電流大小，通過探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的電壓探測表觀察電壓 脈沖現(xiàn)象，該現(xiàn)象即反映出雪崩效應(yīng)器件的雪崩效應(yīng)具體過程。
[0017] 本發(fā)明原位裝置的探測原理是當(dāng)雪崩效應(yīng)區(qū)發(fā)生雪崩效應(yīng)時，導(dǎo)致基底的載流子 濃度發(fā)生突變，在探測雪崩效應(yīng)的原位裝置中測出電壓脈沖現(xiàn)象。
[0018] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明探測方法具有準(zhǔn)確探測雪崩效應(yīng)放電具體過程并能檢 測肖特基結(jié)質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，可用于探測多種雪崩效應(yīng)器件，如金屬/絕緣體/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、Ρ型 半導(dǎo)體/i型半導(dǎo)體/η型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的雪崩效應(yīng)器件。本發(fā)明所設(shè)及的原位裝置設(shè)計簡單、 換測精度局。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
[0020] 圖2是本發(fā)明探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的工作原理圖；
[0021] 圖1~圖2中，1-基底，2-基底表面絕緣層，3-第一電極，4-第二電極，5-探測電壓 表，6-雪崩效應(yīng)器件；
[0022] 圖3是本發(fā)明模擬圖2中所述第二電極處的電容放電時，探測電壓表兩端測試電壓 Vm隨時間的變化關(guān)系圖；
[0023] 圖4是將探測雪崩效應(yīng)的原位裝置替換為非原位生長在半導(dǎo)體基底的探測裝置的 結(jié)構(gòu)示意圖；圖4中，7-第一二極管，8-第二二極管；
[0024] 圖5是本發(fā)明中雪崩效應(yīng)區(qū)對應(yīng)W金屬/絕緣體/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為例說明絕緣體內(nèi)等 離子體示意圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明模擬雪崩效應(yīng)區(qū)對應(yīng)W金屬/絕緣體/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為例說明基底表面 絕緣層內(nèi)多個等離子體對應(yīng)的電壓脈沖圖；
[0026] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例測量得到的40即寸零外加磁場條件下對應(yīng)的V-I曲線圖在0~ 200μΑ的局部放大圖；
[0027]圖8是本發(fā)明實(shí)施例測量得到的40即寸零外加磁場條件下對應(yīng)的V-I曲線圖在0~ 400μΑ的整體圖；
[002引圖9是本發(fā)明實(shí)施例測量得到的40Κ時零外加磁場條件下對應(yīng)的V-I曲線圖在200 ~400μΑ的局部放大圖；
[0029] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例中圖7-圖9的八處電壓脈沖位置對應(yīng)的Vm-t圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了驗(yàn)證我們設(shè)計的一種探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的可行性和所述理論分析的 正確性，我們通過附圖結(jié)合案例進(jìn)行驗(yàn)證。
[0031] 參照圖1所示，本發(fā)明所述的探測雪崩效應(yīng)的原位裝置，包括基底1、基底表面絕緣 層2、金屬電極和探測電壓表5,基底表面絕緣層2原位生長在基底1表面，金屬電極設(shè)有兩 個、分別為第一電極3和第二電極4,第一電極3和第二電極4均位于基底表面絕緣層2上且均 位于基底1的中屯、線位置，探測電壓表5的兩端分別與第一電極3和第二電極4連接，第一電 極3和第二電極4通過基底1及探測電壓表5形成一個探測回路。
[0032] 基底1為半導(dǎo)體材料（51、66、6356、111513、1沾、63?、1^3、6343或4旨25)，且該半導(dǎo)體 材料與雪崩效應(yīng)區(qū)的半導(dǎo)體材料一致（同一體系）?；妆砻娼^緣層2的材料為Si化、Si3N4、 AlN、Cr203、Ti02、Zn0、Fe203、Mg0、Al203、化20或K20。金屬電極選用Ag、Fe、Co、Al、Bi、Ni、饑、 In、Au、Cu、W或Pt中的一種。所述金屬電極的功函數(shù)與基底的功函數(shù)存在差異，金屬電極與 基底之間形成阻擋層。所述探測回路的電極結(jié)構(gòu)是金屬電極/基底表面絕緣層/半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。
[0033] 本發(fā)明探測雪崩效應(yīng)的原位裝置的工作原理如圖2所示，主要包括(I)和（II)兩個 區(qū)域。其中，（I)區(qū)為雪崩效應(yīng)區(qū)，它由金屬/絕緣體/半導(dǎo)體組成的雪崩效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)，或者 為P型半導(dǎo)體/i型半導(dǎo)體/η型半導(dǎo)體的雪崩效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)。為圖示清晰，本發(fā)明附圖中將雪 崩效應(yīng)區(qū)的雪崩效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)都選用金屬/絕緣體/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。（II)區(qū)對應(yīng)的是探測雪崩 效應(yīng)的原位裝置，其結(jié)構(gòu)是在與雪崩效應(yīng)區(qū)同一體系下的半導(dǎo)體基底上原位制備得到的。 其中箭頭指向?yàn)殡娏鬏斎敕较?，即從第一電極3經(jīng)探測電壓表5流向第二電極4,然后第一電 極3和第二電極4之間通過基底1的半導(dǎo)體和探測電壓表5形成一個探測回路。如果記第一電 極3兩端電壓為Vdi，第二電極4兩端電壓為Vd2,探測電壓表5測試電壓為V。，第一電極3和第二 電極4之間半導(dǎo)體兩端電壓為Vi2，那么：
[0034]Vl2 =Vdl+Vd2+Vm (1)
[0035] 如果將第一電極3處結(jié)構(gòu)視為歐姆接觸，則：
[0036] Vdi* 0 (2)
[0037] 將公式(2)代入公式(1)中得：
[003引Vi2 =Vd2+Vm (3)
[0039] 由歐姆定律可知：
[0040]Vi2 =Ri2XI (4)
[0041] 公式(4)中Ri2為第一電極3和第二電極4之間半導(dǎo)體兩端的電阻，I為通過第一電極 3和第二電極4之間半導(dǎo)體的電流。
[0042] 而根據(jù)電阻計算公式：
[0043]
15)
[0044]公式(5)中L為第一電極3和第二電極4之間的長度，S為基底1的橫截面積，對于同 一基底1條件下固定金屬電極位置的測量，L/S為常量。
[0045] 根據(jù)半導(dǎo)體電阻率公式：
[0046]
(份
[0047] 公式(6)中n、p分別電子濃度和空穴濃度，q為每個電子或空穴對應(yīng)的電荷量，μ。、化 分別表示為電子和空穴遷移率;將公式(6)代入公式(5)再代入公式(4)中得：
[0048]
巧).
[0049] 第一電極3和第二電極4之間半導(dǎo)體兩端電阻Ri2與半導(dǎo)體體系內(nèi)部載流子濃度和 遷移率成反比，遷移率受溫度影響較大，在一定溫度下可視為不變。雪崩效應(yīng)