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)體雪崩倍增機制對光子進行探測的新型半導(dǎo)體器件。它是由多個探測單元并聯(lián)排列而成的陣列式探測結(jié)構(gòu)，所有的探測單元共用一個電極用作信號的輸出，其探測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。當光子入射到二極管中被吸收后,便會在雪崩光電二極管的光敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。由于雪崩光電二極管的光敏區(qū)內(nèi)存在較高的電場，漂移的電子會通過雪崩倍增的方式在這個高電場中產(chǎn)生大量電子-空穴對，最終導(dǎo)致?lián)舸┬纬纱箅娏?。與雪崩光電二極管串聯(lián)的淬滅電阻位于二極管附近，它會抑制雪崩光電二極管的雪崩倍增過程并使它逐漸減弱停止。這樣，探測單元便對入射光子發(fā)生響應(yīng)，并最終產(chǎn)生出模擬脈沖信號。各探測單元產(chǎn)生的模擬脈沖響應(yīng)信號疊加后經(jīng)半導(dǎo)體光電倍增器的信號端輸出。相比于傳統(tǒng)的真空電子管探測技術(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)能力和高速時間響應(yīng)特性，低工作電壓以及絕佳的磁場兼容性和良好的機械性能，使其廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學、分析檢測、工業(yè)監(jiān)測、國土安全等國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域，是未來光電探測器的發(fā)展方向，具有巨大的應(yīng)用前景。

得益于較高的內(nèi)部增益等特性，半導(dǎo)體光電倍增器在弱光探測領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢。然而，當前半導(dǎo)體光電倍增器的性能提升還受到一些因素的制約。限制半導(dǎo)體光電倍增器對弱光探測靈敏度的一個重要指標就是器件的光學串擾。所謂光學串擾，是指當半導(dǎo)體光電倍增器的某一探測單元探測到入射光子時，其內(nèi)部發(fā)生雪崩倍增的過程中會產(chǎn)生次級光子并入射到臨近的探測單元，從而引起相鄰探測單元也發(fā)生雪崩倍增并產(chǎn)生脈沖信號，這樣根據(jù)響應(yīng)信號便無法區(qū)分開入射光子信息和由該入射光子引發(fā)的次級光子信息。根據(jù)次級光子到達臨近的探測單元的路徑，可以將光學串擾分為三類：a)直接光學串擾，次級光子由主探測單元直接入射到臨近探測單元，從而引起相鄰探測單元發(fā)生雪崩倍增并產(chǎn)生脈沖信號；b)延遲光學串擾，次級光子激發(fā)光電效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對在擴散作用下進入臨近探測單元，從而引起相鄰探測單元發(fā)生雪崩倍增并產(chǎn)生脈沖信號；c)非直接光學串擾，次級光子經(jīng)界面反射進入臨近探測單元，從而引起相鄰探測單元發(fā)生雪崩倍增并產(chǎn)生脈沖信號。這三類光學串擾在普通半導(dǎo)體光電倍增器件內(nèi)同時存在、同時發(fā)生，三者的疊加會導(dǎo)致器件具有較高的光學串擾概率。光學串擾屬于半導(dǎo)體光電倍增器的本底噪聲，當本底噪聲幅值高于待測信號幅值時，噪聲便會湮沒信號，這時半導(dǎo)體光電倍增器就失去了對該信號的探測能力。對于單光子級別的信號探測，就必須要求半導(dǎo)體光電倍增器件具有極低的本底噪聲。所以，降低光學串擾對提高半導(dǎo)體光電倍增器件探測能力的下限值，提高其單光子分辨能力有著很重要的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以上技術(shù)問題，而提供一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，用以降低半導(dǎo)體光電倍增器件的光學串擾，提高其單光子分辨能力。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，其特征在于，包括：

部分soi襯底層；

位于所述部分soi襯底層之上的第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層；

位于所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層內(nèi)的n(n≥2)個光電二極管；

以及對應(yīng)所述n個光電二極管一一設(shè)置的n個高阻電阻；

所述每一個光電二極管下方對應(yīng)的部分soi襯底層上設(shè)置有一個硅窗口，所述n個光電二極管對應(yīng)設(shè)置n個硅窗口；

所述每一個光電二極管包括，位于所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層表面的第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)，位于所述硅窗口中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)，和位于所述光電二極管外圍的深槽介質(zhì)層；所述第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)位于所述光電二極管的中心位置，與所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層形成pn結(jié)；所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)位于所述硅窗口中，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)之間有間距；所述深槽介質(zhì)層位于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)的外圍，其底部與所述部分soi襯底層中的絕緣層相接觸；

所述n個硅窗口中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)之間通過第一摻雜類型的第一低阻半導(dǎo)體區(qū)電氣相連；所述每一個光電二極管中的第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)與一個高阻電阻相連，所述每一個高阻電阻未與光電二極管相連的一端之間通過互聯(lián)金屬層相互電氣連接；

所述高阻電阻位于深槽介質(zhì)層的上方，與所述光電二極管沒有交疊。

深槽介質(zhì)層與部分soi襯底層將每一個光電二極管(探測單元)與其它光電二極管(探測單元)最大幅度的隔離開來，降低了次級光子對臨近光電二極管(探測單元)的影響，從而可以顯著降低器件的光學串擾。

一種優(yōu)選方案是，所述每一個光電二極管還包括第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)；所述第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)沿部分soi襯底層中的絕緣層及硅窗口上側(cè)設(shè)置，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)之間有間距；所述第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)與所述硅窗口中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)相接觸。

一種優(yōu)選方案是，所述每一個光電二極管還包括第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)位于所述第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)的外圍，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)相接觸；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)深大于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)的結(jié)深；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)的摻雜濃度低于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)的摻雜濃度；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)與硅窗口中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)之間有間距。

一種優(yōu)選方案是，其特征在于，所述高阻電阻為方塊電阻大于1kω/□的高阻多晶硅電阻；或厚度小于100nm，方塊電阻大于1kω/□的高阻金屬薄膜電阻。

一種優(yōu)選方案是，其特征在于，所述深槽介質(zhì)層內(nèi)填充有光阻隔材料。

一種優(yōu)選方案是，所述n個光電二極管及n個高阻電阻均呈陣列式排布，且光電二極管之間等間距排列，高阻電阻之間等間距排列。

本發(fā)明的有益效果是：通過降低半導(dǎo)體光電倍增器的光學串擾，從而減小半導(dǎo)體光電倍增器的本底噪聲，進而提高其單光子分辨能力。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明，其中：

圖1是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體光電倍增器件一實施例橫截面示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體光電倍增器件一實施例橫截面示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體光電倍增器件一實施例橫截面示意圖。

圖中，各標號的含義如下：10–部分soi襯底；11–部分soi襯底中的絕緣層；20–第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層；21–第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；22–深槽介質(zhì)層；23–硅窗口；24–第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)；25–第一摻雜類型的第一低阻半導(dǎo)體區(qū)；26–第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)；27–第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)；31–高阻電阻；32–電阻互連金屬線。

具體實施方式

如附圖1所示，本發(fā)明所公布的一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，其特征在于，包括：

部分soi襯底層10；

位于所述部分soi襯底層10之上的第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層20；

位于所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層20內(nèi)的n(n≥2，在實施例中，n的取值為3)個光電二極管；

以及對應(yīng)所述n個光電二極管一一設(shè)置的n個高阻電阻31；

所述每一個光電二極管下方對應(yīng)的部分soi襯底層10上設(shè)置有一個硅窗口23，所述n個光電二極管對應(yīng)設(shè)置n個硅窗口；

所述每一個光電二極管包括，位于所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層20表面的第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21，位于所述硅窗口23中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)24，和位于所述光電二極管外圍的深槽介質(zhì)層22；所述第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21位于所述光電二極管的中心位置，與所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體外延層20形成pn結(jié)；所述第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)24位于所述硅窗口23中，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21之間有間距；所述深槽介質(zhì)層22位于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21的外圍，其底部與所述部分soi襯底層10中的絕緣層11相接觸；

所述n個硅窗口23中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)24之間通過第一摻雜類型的第一低阻半導(dǎo)體區(qū)25電氣相連；所述每一個光電二極管中的第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21與一個高阻電阻31相連，所述每一個高阻電阻31未與光電二極管相連的一端之間通過互聯(lián)金屬層32相互電氣連接；

所述高阻電阻31位于深槽介質(zhì)層22的上方，與所述光電二極管沒有交疊。

深槽介質(zhì)層22與部分soi襯底層10將每一個光電二極管(探測單元)與其它光電二極管(探測單元)最大幅度的隔離開來，降低了次級光子對臨近光電二極管(探測單元)的影響，從而可以顯著降低器件的光學串擾。

如附圖2所示，本發(fā)明所公布的一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，其另一種實施方式是，所述每一個光電二極管還包括第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)26；所述第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)26沿部分soi襯底層10中的絕緣層11及硅窗口23上側(cè)設(shè)置，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21之間有間距；所述第一摻雜類型的第二低阻半導(dǎo)體區(qū)26與所述硅窗口23中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)24相接觸。

如附圖3所示，本發(fā)明所公布的一種新型半導(dǎo)體光電倍增器件，其另一種實施方式是，所述每一個光電二極管還包括第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)27；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)27位于所述第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21的外圍，且與第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21相接觸；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)27的結(jié)深大于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21的結(jié)深；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)27的摻雜濃度低于第二摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)21的摻雜濃度；所述第二摻雜類型的保護環(huán)結(jié)構(gòu)21與硅窗口23中的第一摻雜類型的半導(dǎo)體歐姆接觸區(qū)24之間有間距。

優(yōu)選的，所述高阻電阻31為方塊電阻大于1kω/□的高阻多晶硅電阻；或厚度小于100nm，方塊電阻大于1kω/□的高阻金屬薄膜電阻。

優(yōu)選的，所述深槽介質(zhì)層22內(nèi)填充有光阻隔材料。

優(yōu)選的，所述n個光電二極管及n個高阻電阻均呈陣列式排布，且光電二極管之間等間距排列，高阻電阻之間等間距排列。

上述實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這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，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和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。