本發(fā)明屬于h01l27/00類半導體器件領域，具體涉及一種具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器及其探測方法。

背景技術：

雪崩光電二極管探測器(apd)，應用于弱光探測。而用第三代寬禁帶半導體材料(例如sic，gan等)制作的具有“日盲”特性的紫外光探測器，可在高溫下工作而不需要昂貴笨重的制冷系統(tǒng)，且抗輻射、具有高的近紫外響應。因其在航天，天文探測及軍事方面的卓越特性，一直是研究熱點。

相比于傳統(tǒng)的光電倍增管，紫外apd具有單光子響應、增益較大、對磁場不敏感、制作工藝簡單、成本低、體積小、易于cmos工藝集成、工作電壓低、比較安全等優(yōu)點，近年來得到了迅速發(fā)展。紫外apd在天文探測、射線探測、生物醫(yī)學、航天，火箭技術以及其他弱光探測領域的應用都是當今研究的熱點。

但是，由于目前紫外apd技術發(fā)展還不成熟，還有很多缺點，如探測效率低(<40％)，對遠紫外光不敏感、暗電流大、信噪比低等缺點，限制了紫外apd的實際應用。新的器件結構設計和工藝改進正在積極地探索中。紫外apd由雪崩倍增結區(qū)和吸收漂移區(qū)組成。現有的紫外apd探測效率低主要是由于其雪崩區(qū)面積大，暗激發(fā)和暗電流噪聲大，信噪比低。由于時間相關性測量以及器件工作性能的要求，單元輸出電容不能太大，暗計數和漏電流越低越好，即要求雪崩區(qū)的面積不能太大。

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種新型的雪崩探測器單元結構---具有漂移溝道結構的紫外雪崩二極管探測器，以下簡稱為dc-apd(driftchannelavalanchephotodetector)。它既可以作為apd的基本探測單元而大規(guī)模集成，也可以制作成大面積的單元探測器。dc-apd的基本結構是以大面積p-well耗盡溝道吸收區(qū)結構和側向n分壓n-channel漂移環(huán)以及襯底構成的反偏pn結共同形成的漂移區(qū)作為光探測的有源區(qū)并在其中形成一條光生載流子(空穴或電子)能谷漂移通道，以內外漂移環(huán)及分壓電阻結構的n-channel在通道中產生成較均勻的側向漂移電場，而以位于單元中心的點狀雪崩二極管作為光生載流子(空穴或電子)的收集區(qū)。沒有文獻報道或實際應用這種結構用于碳化硅紫外探測器。

dc-apd結構用于制作單元大面積探測器時，雪崩區(qū)與光子收集區(qū)域分開，雪崩結區(qū)較小，能制作出比較低雪崩電壓的器件；同時在雪崩倍增高場區(qū)域比較小的同時保證大面積的光探測區(qū)域，提高了量子效率；減小雪崩區(qū)域的面積，有助于減小暗電流和暗激發(fā)，同時對于晶片質量和缺陷的容忍度提高，防止了大面積雪崩倍增高場區(qū)在缺陷位置的提前擊穿。器件的有源區(qū)全耗盡，減小了光生載流子的復合，提高了探測效率；同時其輸出電容比傳統(tǒng)大面積雪崩結apd小，其電子學噪聲一般小于具有同樣通光窗口面積和光吸收區(qū)厚度的常規(guī)雪崩光電二極管；小的電容也能提高器件的頻率響應。

應用于多單元集成時，采用dc-apd結構的紫外光探測器可以方便的解決單元面積與輸出電容要求之間的矛盾，可以在保持低的輸出電容的同時提供很高的填充因子(大于70％)和探測效率。同時，由于采用很小面積的點狀雪崩區(qū)，高場區(qū)面積大大減小，可以有效減小漏電流和暗記數(相比于相同有效探測面積的器件)。dc-apd采用正面入射方式，入射面電極可以采用透明導體，例如氧化銦錫(ito)膜作為電極材料，有效減小電極對光的遮擋和吸收。對遠紫外光到近紫外光波段都敏感。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器，其有效解決了現有技術中存在的問題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用本發(fā)明的探測器進行探測的方法。

為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器，所述探測器的每個器件單元從上至下依次包括ce電極、sio2層、n-channel、p-well或n-well、襯底和背面電極；其中，所述ce電極嵌入在所述sio2層的中心；所述p-well或n-well由對稱設置在所述器件單元左右兩側的兩部分構成；所述n-channel設在sio2層下方，兩部分p-well或n-well的上方；n-channel的上部中心設置有點狀雪崩二極管，所述點狀雪崩二極管與所述ce電極電連通；所述sio2層上由內到外依次設置有內漂移環(huán)、外漂移環(huán)和接地gnd，所述接地gnd與p-well或n-well電連通。

進一步，所述探測器由n型或p型碳化硅單晶片制成。

進一步，所述碳化硅單晶片的厚度為100微米－0.5毫米。

進一步，所述p-well或n-well由離子注入或外延工藝制成，深度為0.1－5微米。

進一步，所述ce電極由金屬電極或透明導電膜制成。

進一步，所述透明導電膜為氧化銦錫膜，其厚度為10納米－10微米。

一種使用具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器進行探測的方法，所述方法為：ce電極相對于內漂移環(huán)加負偏壓到雪崩擊穿電壓以上，在空穴漂移到雪崩區(qū)后引發(fā)雪崩信號；背面電極相對于gnd加正偏壓，使p-well全耗盡并在p-well中形成一條空穴電勢能谷，同時內漂移環(huán)、外漂移環(huán)以及n-channel構成電阻分壓結構的漂移電場分布溝道，形成側向的均勻漂移電場；被測光信號從所述探測器的正面入射進入器件，在耗盡區(qū)中產生電子-空穴對，電子被排斥進入襯底，而空穴被集中于漂移通道中并在漂移環(huán)所產生的側向電場下漂移至器件中心的雪崩區(qū)，在雪崩區(qū)發(fā)生電離碰撞倍增而被放大或產生雪崩信號。

進一步，所述被測光信號指紫外光或x光。

本發(fā)明具有以下有益技術效果：

本申請用于制作單元大面積探測器時，雪崩區(qū)與光子收集區(qū)域分開，雪崩結區(qū)較小，能制作出比較低雪崩電壓的器件；同時在雪崩倍增高場區(qū)域比較小的同時保證大面積的光探測區(qū)域，提高了量子效率；減小雪崩區(qū)域的面積，有助于減小暗電流和暗激發(fā)，同時對于晶片質量和缺陷的容忍度提高，防止了大面積雪崩倍增高場區(qū)在缺陷位置的提前擊穿。器件的有源區(qū)全耗盡，減小了光生載流子的復合，提高了探測效率；同時其輸出電容比傳統(tǒng)大面積雪崩結apd小，其電子學噪聲一般小于具有同樣通光窗口面積和光吸收區(qū)厚度的常規(guī)雪崩光電二極管；小的電容也能提高器件的頻率響應。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器的單個器件的結構示意圖。

具體實施方式

下面，參考附圖，對本發(fā)明進行更全面的說明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以體現為多種不同形式，并不應理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。

如圖1所示，本發(fā)明了提供了一種具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器，該探測器的每個器件單元從上至下依次包括ce電極1、sio2層2、n-channel3、p-well或n-well4、襯底5和背面電極6；其中，ce電極1嵌入在sio2層2的中心；p-well或n-well4由對稱設置在器件單元左右兩側的兩部分構成；n-channel3設在sio2層2下方，兩部分p-well或n-well的上方；n-channel3的上部中心設置有點狀雪崩二極管7，點狀雪崩二極管7與ce電極1電連通；sio2層2上由內到外依次設置有內漂移環(huán)8、外漂移環(huán)9和接地gnd10，接地gnd10與p-well或n-well4電連通。

本申請的探測器由高摻雜(n型或p型)sic(或者其他類似寬禁帶半導體材料)單晶片制成，碳化硅單晶片的厚度為100微米－0.5毫米；器件單元由全耗盡p-well結構，外延生長構造或者注入掩埋pn結，內外漂移環(huán)及n-channel構成的漂移溝道結構，以及小面積點狀雪崩二極管構成的收集區(qū)組成。

p-well或n-well4由離子注入或外延工藝制成，深度為0.1－5微米。

ce電極1由薄層金屬電極或透明導電膜制成。透明導電膜可以為氧化銦錫膜，其厚度為10納米－10微米。

本發(fā)明還提供了一種使用具有漂移溝道的紫外雪崩光電二極管探測器進行探測的方法，該方法為：ce電極加負偏壓(相對于內漂移環(huán)r1)到雪崩擊穿電壓以上，在空穴漂移到雪崩區(qū)后引發(fā)雪崩信號；背面電極be加一合適正偏壓(相對于gnd)，使p-well全耗盡并在p-well中形成一條空穴電勢能谷(使光生空穴集中于能谷中以減小復合損失)；同時內外漂移環(huán)r1，r2及n-channel構成電阻分壓結構的漂移電場分布溝道，形成側向的均勻漂移電場。被測光信號從所述dc-apd探測器的正面入射進入器件(透過ito電極)，在耗盡區(qū)中產生電子-空穴對，電子被排斥進入襯底，而空穴被集中于漂移通道中并在漂移環(huán)所產生的側向電場下漂移至器件中心的雪崩區(qū)，在雪崩區(qū)發(fā)生電離碰撞倍增而被放大或產生雪崩信號。

被測光信號指紫外光(波長范圍是0.2－1.1微米)或x光(能量范圍是1－20kev)。

由本申請的dc-apd探測器可以是由全耗盡p-well結構，點狀雪崩二極管結構，漂移溝道結構，n-p-n基本結構或p-n-p基本結構構造出的分立的或集成在同一芯片上的陣列或其它變種形式的結構。

本申請的由p+n或n+p構成的點狀雪崩二極管結構處于器件的中心，作為探測器單元的收集極和雪崩區(qū)；全耗盡漂移區(qū)，由全耗盡的p-well或n-well及反偏n-channel構成；掩埋pn結由p-well或n-well與襯底構成，工作時加反向偏壓將有源區(qū)全耗盡；所述漂移電場由掩埋反偏pn結構以及n-channel和內外漂移環(huán)構成的分壓電阻形成。

上面所述只是為了說明本發(fā)明，應該理解為本發(fā)明并不局限于以上實施例，符合本發(fā)明思想的各種變通形式均在本發(fā)明的保護范圍之內。