本發(fā)明涉及光電子和微電子領(lǐng)域，特別是涉及一種用于光子探測(cè)的半導(dǎo)體光電倍增器件。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體光電倍增器是一種利用半導(dǎo)體雪崩倍增機(jī)制對(duì)光子進(jìn)行探測(cè)的新型半導(dǎo)體器件。它是由多個(gè)探測(cè)單元并聯(lián)排列而成的陣列式探測(cè)結(jié)構(gòu)，所有的探測(cè)單元共用一個(gè)電極用作信號(hào)的輸出，其探測(cè)單元由工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管串聯(lián)淬滅電阻組成。當(dāng)光子入射到二極管中被吸收后,便會(huì)在雪崩光電二極管的光敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于雪崩光電二極管的光敏區(qū)內(nèi)存在較高的電場(chǎng)，漂移的電子會(huì)通過(guò)雪崩倍增的方式在這個(gè)高電場(chǎng)中產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，最終導(dǎo)致?lián)舸┬纬纱箅娏鳌Ｅc雪崩光電二極管串聯(lián)的淬滅電阻位于二極管附近，它會(huì)抑制雪崩光電二極管的雪崩倍增過(guò)程并使它逐漸減弱停止。這樣，探測(cè)單元便對(duì)入射光子發(fā)生響應(yīng)，并最終產(chǎn)生出模擬脈沖信號(hào)。各探測(cè)單元產(chǎn)生的模擬脈沖響應(yīng)信號(hào)疊加后經(jīng)半導(dǎo)體光電倍增器的信號(hào)端輸出。相比于傳統(tǒng)的真空電子管探測(cè)技術(shù)，半導(dǎo)體光電倍增器具有諸多優(yōu)異特性如高內(nèi)部增益、單光子響應(yīng)能力和高速時(shí)間響應(yīng)特性，低工作電壓以及絕佳的磁場(chǎng)兼容性和良好的機(jī)械性能，使其廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、分析檢測(cè)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、國(guó)土安全等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，是未來(lái)光電探測(cè)器的發(fā)展方向，具有巨大的應(yīng)用前景。

在半導(dǎo)體光電倍增器件的應(yīng)用選型中,器件的探測(cè)效率和時(shí)間特性是兩個(gè)需要特別考慮的重要性能參數(shù)。探測(cè)效率是指光子入射到光電探測(cè)器上，經(jīng)光電探測(cè)器的吸收、轉(zhuǎn)化和放大，并最終輸出有用的電學(xué)信號(hào)的概率，通常以探測(cè)器探測(cè)得到的光子數(shù)目與入射的總光子數(shù)目之間的比值來(lái)表示，它反映了探測(cè)器對(duì)入射光子的敏感程度。對(duì)于半導(dǎo)體光電倍增器而言，探測(cè)效率主要與半導(dǎo)體材料的量子效率、發(fā)生雪崩倍增的幾率以及器件的填充因子有關(guān)，可簡(jiǎn)單表示為:

PDE＝∈(λ)·P_b(V)·F.

式中，PDE為探測(cè)效率，∈(λ)為量子效率，P_b(V)表示雪崩倍增幾率，F(xiàn)表示填充因子。其中，∈(λ)是與波長(zhǎng)相關(guān)的物理量，P_b(V)是與工作電壓相關(guān)的物理量，此二者與具體的應(yīng)用環(huán)境相關(guān)。填充因子F是光電探測(cè)器探測(cè)面上的有效光敏面積與總探測(cè)面積的比值。在半導(dǎo)體光電倍增器中，由于各探測(cè)單元之間需要相互隔離，且淬滅電阻、金屬電極、金屬互連線以及其他功能性非探測(cè)單元都需要占據(jù)一定的探測(cè)面積，所以填充因子也在很大程度上決定了光電探測(cè)器的探測(cè)效率。

半導(dǎo)體光電倍增器的時(shí)間特性由兩個(gè)時(shí)間常數(shù)來(lái)定義，即模擬脈沖信號(hào)的上升時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。上升時(shí)間定義為雪崩光電二極管結(jié)電容的放電時(shí)間，通常在幾百皮秒至幾納秒量級(jí)；恢復(fù)時(shí)間定義為通過(guò)外部電路、淬滅電阻向雪崩光電二極管結(jié)電容充電的時(shí)間，根據(jù)雪崩光電二極管尺寸及淬滅電阻的大小不同通常在幾十至幾百納秒量級(jí)。半導(dǎo)體光電倍增器輸出的模擬脈沖的時(shí)間特性對(duì)其應(yīng)用系統(tǒng)的符合時(shí)間分辨率有較大的影響，較長(zhǎng)的上升時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致較差的符合時(shí)間分辨率。在半導(dǎo)體光電倍增器的應(yīng)用領(lǐng)域如激光測(cè)距、時(shí)間飛行正電子發(fā)射斷層成像等系統(tǒng)中，光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度非常重要。而較長(zhǎng)的上升時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間會(huì)嚴(yán)重減緩光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度，給半導(dǎo)體光電倍增器在需要快速輸出的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)巨大的限制。

通常，改善半導(dǎo)體光電倍增器的時(shí)間特性的方法是降低雪崩光電二極管的結(jié)電容，但需要對(duì)二極管的結(jié)構(gòu)及摻雜進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)的成本，且存在較大的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。一種可行的方案是，采用串聯(lián)電容的方式來(lái)降低探測(cè)單元的總體電容，但串聯(lián)的電容會(huì)占據(jù)額外的探測(cè)面積，使器件的填充因子減小，進(jìn)而降低器件的探測(cè)效率。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)改善半導(dǎo)體光電倍增器的時(shí)間特性，并保證其較高的探測(cè)效率，對(duì)半導(dǎo)體光電倍增器的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上技術(shù)問(wèn)題，而提供一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，用以改善半導(dǎo)體光電倍增器件的時(shí)間特性，并同時(shí)保持其較高的探測(cè)效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種半導(dǎo)體光電倍增器件的探測(cè)單元，其特征在于，包括：半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底之上的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層，所述外延層靠近表面處設(shè)置有有源區(qū)，所述有源區(qū)中包含有第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)和第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)相互間隔，所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層構(gòu)成PN結(jié)結(jié)構(gòu)；所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)在器件工作時(shí)處于蓋革模式；位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層之上的第一透明介質(zhì)層，所述第一透明介質(zhì)層中設(shè)置有電阻層；所述電阻層與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)通過(guò)金屬通孔連接，用于淬滅所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的雪崩倍增過(guò)程；位于所述第一透明介質(zhì)層之上的第二透明介質(zhì)層，所述第二透明介質(zhì)層中設(shè)置有第一金屬層和第一透明導(dǎo)電極板；所述第一透明導(dǎo)電極板位于所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的正上方；所述第一透明導(dǎo)電極板與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)通過(guò)金屬通孔連接；位于所述第二透明介質(zhì)層之上的第三透明介質(zhì)層，所述第三透明介質(zhì)層中設(shè)置有第二金屬層和第二透明導(dǎo)電極板；所述第二透明導(dǎo)電極板位于所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的正上方；所述第一透明導(dǎo)電極板與第二透明導(dǎo)電極板以及二者之間的透明介質(zhì)層構(gòu)成透明電容；位于所述第三透明介質(zhì)層之上的抗反射涂層，用于減少入射光的反射。

優(yōu)選的，所述有源區(qū)中設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)位于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)的外圍，并與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)相接觸；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)深大于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)的結(jié)深；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度低于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)的摻雜濃度；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)相互間隔。

優(yōu)選的，所述電阻層為方塊電阻大于1KΩ/□的高阻多晶硅電阻層；或厚度小于100nm，方塊電阻大于1KΩ/□的高阻金屬薄膜電阻層。

優(yōu)選的，所述第一導(dǎo)電極板和第二導(dǎo)電極板的材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、復(fù)合導(dǎo)電納米材料中的一種或幾種；所述第一導(dǎo)電極板和第二導(dǎo)電極板的厚度大于10nm且小于100nm，光透過(guò)率大于90％。

優(yōu)選的，所述第一金屬層和第二金屬層均為透明導(dǎo)電層，其構(gòu)成材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、復(fù)合導(dǎo)電納米材料中的一種或幾種，且所述透明導(dǎo)電層的厚度大于10nm且小于100nm，光透過(guò)率大于90％。

優(yōu)選的，所述透明介質(zhì)層的材料為二氧化硅。

優(yōu)選的，所述抗反射涂層的材料為氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦中的一種或幾種。

基于上述探測(cè)單元，本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體光電倍增器件，包括如前所述的多個(gè)探測(cè)單元及金屬焊盤，其特征在于：所述金屬焊盤位于所述第三透明介質(zhì)層之上，其上表面未被所述抗反射涂層覆蓋，且與任一所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)在縱向上沒(méi)有交疊；所述多個(gè)探測(cè)單元共用一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)，所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)通過(guò)金屬通孔與第一金屬焊盤相接；所述電阻層未與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)相連接的一端通過(guò)第一金屬層相互互連，并通過(guò)金屬通孔與第二金屬焊盤相接；所述第一焊盤與第二焊盤用作電源輸入接口為器件提供偏置電壓；所述第二透明導(dǎo)電極板通過(guò)第二金屬層相互互連，并通過(guò)金屬通孔與第三金屬焊盤相接；所述第三金屬焊盤用作信號(hào)的輸出接口。

優(yōu)選的，所述探測(cè)單元之間設(shè)置有光學(xué)隔離槽，所述光學(xué)隔離槽內(nèi)填充有阻光材料。

本發(fā)明的有益效果是：

1.在半導(dǎo)體光電倍增器探測(cè)單元的光敏面上設(shè)置透明電容，可以用來(lái)降低探測(cè)單元以及器件的整體電容，從而改善半導(dǎo)體光電倍增器的時(shí)間特性，即減小輸出信號(hào)的上升時(shí)間常數(shù)和恢復(fù)時(shí)間常數(shù)。這不僅可以提高半導(dǎo)體光電倍增器光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度，也可以提高基于半導(dǎo)體光電倍增器的應(yīng)用系統(tǒng)的符合時(shí)間分辨率。

2.透明電容保證了較高的光透過(guò)率，位于探測(cè)單元正上方的額外的電容并沒(méi)有使半導(dǎo)體光電探測(cè)器損失額外的探測(cè)面積，這保證了半導(dǎo)體光電探測(cè)器較高的探測(cè)效率。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，其中：

圖1是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體雪崩倍增器件的探測(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的帶有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體雪崩倍增器件的探測(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的帶有光學(xué)隔離槽的半導(dǎo)體雪崩倍增器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，各標(biāo)號(hào)的含義如下：10–半導(dǎo)體襯底；20–第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層；21–第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)；22–第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；23–第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)；24–光學(xué)隔離槽；30–第一透明介質(zhì)層；31–電阻層；40–第二透明介質(zhì)層；41-第一透明導(dǎo)電極板；42–第一金屬層；50–第三透明介質(zhì)層；51–第二透明導(dǎo)電極板；52–第二金屬層；60–抗反射涂層；61–第一金屬焊盤；62–第二金屬焊盤；63–第三金屬焊盤；70–金屬通孔。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，本發(fā)明提供的一種半導(dǎo)體雪崩倍增器件的探測(cè)單元，包括半導(dǎo)體襯底10；位于所述半導(dǎo)體襯底10之上的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層20，所述外延層靠近表面處設(shè)置有有源區(qū)，所述有源區(qū)中包含有第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21和第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)22；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)22相互間隔，所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層20構(gòu)成PN結(jié)結(jié)構(gòu)；所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)在器件工作時(shí)處于蓋革模式；位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體外延層20之上的第一透明介質(zhì)層30，所述第一透明介質(zhì)層30中設(shè)置有電阻層31；所述電阻層31與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21通過(guò)金屬通孔70連接，用于淬滅所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的雪崩倍增過(guò)程；位于所述第一透明介質(zhì)層30之上的第二透明介質(zhì)層40，所述第二透明介質(zhì)層40中設(shè)置有第一金屬層42和第一透明導(dǎo)電極板41；所述第一透明導(dǎo)電極板41位于所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的正上方；所述第一透明導(dǎo)電極板41與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21通過(guò)金屬通孔70連接；位于所述第二透明介質(zhì)層40之上的第三透明介質(zhì)層50，所述第三透明介質(zhì)層50中設(shè)置有第二金屬層52和第二透明導(dǎo)電極板51；所述第二透明導(dǎo)電極板51位于所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)的正上方；所述第一透明導(dǎo)電極板41與第二透明導(dǎo)電極板51以及二者之間的透明介質(zhì)層構(gòu)成透明電容；位于所述第三透明介質(zhì)層50之上的抗反射涂層60，用于減少入射光的反射。

本實(shí)施例是通過(guò)采用外加電容的方式來(lái)減小探測(cè)單元的總體電容的。由于引入的電容為透明電容，保證了入射光具有較高的透射率，因而不會(huì)降低入射光的入射損失；同時(shí)，由于該透明電容位于探測(cè)單元的正上方，并沒(méi)有占據(jù)額外的探測(cè)面積，因而不會(huì)減小半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器的填充因子。上述兩方面的原因保證了本發(fā)明所提出的半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器可以在改善器件時(shí)間性能的前提下而不損失其高探測(cè)效率。

如附圖2所示，為了進(jìn)一步優(yōu)化半導(dǎo)體光電倍增器的性能參數(shù)，本發(fā)明還提供了一種帶有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的探測(cè)單元。具體設(shè)置為：所述有源區(qū)中設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23，所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23位于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21的外圍，并與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21相接觸；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23的結(jié)深大于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21的結(jié)深；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23的摻雜濃度低于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21的摻雜濃度；所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23與所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)22相互間隔。所設(shè)置的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)23可以使探測(cè)單元的PN結(jié)結(jié)構(gòu)的體內(nèi)電場(chǎng)分布更加均勻，均勻的電場(chǎng)分布也可在一定程度上改善探測(cè)器的時(shí)間特性。

在半導(dǎo)體光電倍增器件中，淬滅電阻的阻值通常在幾KΩ到幾MΩ之間。高阻值的電阻需要較長(zhǎng)的電阻長(zhǎng)度，而電阻作為功能性非探測(cè)結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)一定的探測(cè)面積，這會(huì)降低器件的填充因子。因此淬滅電阻所占據(jù)的面積越小越好。基于此，在本發(fā)明中，所述電阻層31設(shè)置為方塊電阻大于1KΩ/□的高阻多晶硅電阻層；或設(shè)置為厚度小于100nm，方塊電阻大于1KΩ/□的高阻金屬薄膜電阻層。

對(duì)于本發(fā)明中的透明電容，所述第一導(dǎo)電極板41和第二導(dǎo)電極板51的材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、復(fù)合導(dǎo)電納米材料中的一種或幾種；所述第一導(dǎo)電極板41和第二導(dǎo)電極板51的厚度大于10nm且小于100nm，光透過(guò)率大于90％。

為進(jìn)一步降低入射光的光損失，所述第一金屬層42和第二金屬層52均為透明導(dǎo)電層，其構(gòu)成材料為氧化銦錫、氧化鋅鎵、氧化銦鋅、摻鋁氧化鋅、石墨烯、金屬納米材料、復(fù)合導(dǎo)電納米材料中的一種或幾種，且所述透明導(dǎo)電層的厚度大于10nm且小于100nm，光透過(guò)率大于90％；所述透明介質(zhì)層30、40和50的材料為二氧化硅。

進(jìn)一步的，所述抗反射涂層的材料為氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦中的一種或幾種，用于保證探測(cè)器對(duì)光具有較高的吸收率。

如附圖3所示，本發(fā)明還公開(kāi)了一種半導(dǎo)體光電倍增器件，包括如前所述的多個(gè)探測(cè)單元及金屬焊盤61、62和63，其特征在于：所述金屬焊盤61、62和63均位于所述第三透明介質(zhì)層50之上，其上表面未被所述抗反射涂層60覆蓋，且與任一所述PN結(jié)結(jié)構(gòu)在縱向上沒(méi)有交疊；所述多個(gè)探測(cè)單元共用一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)22，所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)22通過(guò)金屬通孔70與第一金屬焊盤61相接；所述電阻層31未與所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)21相連接的一端通過(guò)第一金屬層42相互互連，并通過(guò)金屬通孔70與第二金屬62焊盤相接；所述第一焊盤61與第二焊盤62用作電源輸入接口為器件提供偏置電壓；所述第二透明導(dǎo)電極板51通過(guò)第二金屬層52相互互連，并通過(guò)金屬通孔70與第三金屬焊盤63相接；所述第三金屬焊盤63用作信號(hào)的輸出接口。

為降低半導(dǎo)體光電倍增器件的光學(xué)串?dāng)_，進(jìn)一步提高其性能，所述探測(cè)單元之間設(shè)置有光學(xué)隔離槽24，所述光學(xué)隔離槽24內(nèi)填充有阻光材料。

上述實(shí)施例是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解和使用本發(fā)明而描述的。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。