高靈敏度、高分辨率的檢測器裝置和陣列的制作方法

專利名稱：高靈敏度、高分辨率的檢測器裝置和陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及能夠記錄可以包括少至幾個電子的低水平信號的單通道 和多通道檢測器。具體而言，本發明是一種放大雪崩裝置，其中放大是通 過多層固態智能放大器設計實現的。
背景技術：
低水平信號的檢測和記錄對于傳感器裝置是特別有挑戰性的。例如， 這種裝置的靈敏度、選擇性、操作范圍和陣列設置要求包括少至幾個電子 的信號的精密檢測。用于檢測并且記錄低水平信號的一條普遍途徑包括:如由Albert J.P.Theuwissen在"使用電荷耦合器的固態成像〃(&3/W-Stote /mag&g w油 C7wrge-Cow; /^/Z^Wce)(由Kluwer在1995年出版)(ISBN 0-7923-3456-6)中所述，在具有幾十個電子的閾值靈敏度的場效應晶體管上的電荷靈敏放大 器。另一條途徑包括在電荷藕合裝置中的輸出視頻信號放大器，所述輸出 視頻信號放大器確保與在場效應晶體管上的電荷靈敏放大器幾乎相同的 靈敏度。讀出弱電信號的又一條途徑是使用信號載流子的雪崩放大或倍增，其 通常為最靈敏和高速的放大方法。雪崩型裝置包括由F.Capasso在學術出 版社(Academic Press)于1985年出版的〃半導體和半金屬中的雪崩光電二極 管的物理學〃(i^戸'cs o/ vlva/<3"c/2e尸/zotoiizW&y z' Se冊'co 7(iwcf。7^ Sem^eto/力，第22巻中描述的裝置。雪崩放大基于在強電場中發生的碰撞電離，其中在電場中加速的信號 載流子使放大器的工作介質的原子電離，從而導致信號載流子的倍增(例 如，加倍)。然而，在高的倍增因數，難以穩定雪崩放大工作點。另外，內21部(過量)噪音水平和響應時間隨著增加的倍增因數迅速增加。由此，常規 的雪崩光電二極管使用相當低的倍增因數M，典型地小于103，從而阻止 在寬帶中檢測并且記錄由幾個電子組成的信號。如由Ekstrom在USPN4,303,861中描述，雪崩倍增還用于使用蓋革-繆勒(Geiger-Muller)計數器記錄個別的電離粒子。進入這種裝置的粒子引 發信號載流子的倍增的雪崩狀過程直至必要的記錄水平。最近，這種原理 成功地用于在半導體雪崩型光電二極管中記錄單個電荷載流子。然而，放 大的這種蓋革-繆勒原理不允許區分一個或幾個輸入的電荷載流子內的信 號(即，它不提供對于電荷載流子的數目的高分辨率)。Shushakov等在USPN 6,885,827中描述了一種系統和方法并且要求其 專利權，所述系統和方法用于通過將輸入的信號分配到獨立放大的獨立的 信號部分中檢測輸入的信號，從而獨特地能夠實現高放大因數、低噪音和 快的響應速度。該發明包括幾個步驟。將信號分配到多通道閾值放大器的 各條通道上，如此每條通道只具有一個基本的電荷。放大器的每條通道將 輸入端的單個電子轉化為輸出端的標定后的電荷包。每條通道的輸出信號 的總和允許測量幾個電子電信號的值，所述電子電信號被傳遞到具有高精 度的分立(discrete)放大器的輸入端。在分立放大器的每條通道提供對單個 電子的標定放大。除閾值雪崩放大器以外，每條通道配備有累積放大的電 荷信號包的積分器。在接收需要的電荷包之后，積分器通過調節器 (governor)與計量器(quantifier)連通，從而使通道變為OFF。調節器 用于控制計量器的電勢，并且從積分器排出(drain)電荷以將通道轉換回到 其初始狀態。因此，應該理解仍然需要進一步提升和改善，從而能夠檢測弱信號。 因此，需要的是與由Shushakov等在USPN 6,885,827中提供的系統和方法 兼容的放大雪崩結構，所述放大雪崩結構能夠進一步提升和改善弱信號的 檢測。發明內容本發明的一個目的是提供放大雪崩結構，所述放大雪崩結構與由 Shushakov等在USPN 6,885,827中提供的系統和方法兼容，并且能夠進一步提升和改善弱信號的檢測。根據本發明，公開了基于由Shushakov等描述的原理工作的放大雪崩結構的各個實施方案。本發明包括設置成檢測由少至幾個電子組成的弱信 號的透明和不透明電極、雪崩區、計量器、積分器、調節器和襯底。雪崩放大結構包括標準計量器，反向偏壓設計；標準計量器，標準偏壓設計; 橫向計量器，標準偏壓設計；可變計量器，標準偏壓，調節電極設計；標 準計量器，標準偏壓，調節電極設計；以及橫向計量器，標準偏壓，環形 積分器設計。類似地設置放大結構以形成多通道裝置。根據本發明的幾個實施方案，以蓋革模式(Geigermode)工作的放大雪 崩結構包括兩個電極、雪崩區、用于累積信號電荷的積分器、用于將雪崩 過程開啟和關閉的計量器以及用于從積分器排出電荷的調節器，積分器由 設置在平面襯底上的半導體結構組成，其中調節器和積分器被依次設置在 電極之一的后面，雪崩區鄰接積分器區的邊緣外圍，如此在雪崩區和調節 器之間沒有電接觸，并且由鄰接雪崩區的積分器表面提供計量器。調節器 可以由與雪崩區相同，但摻雜更少或者帶隙更寬的半導體材料組成。在放 大雪崩結構下側的襯底可以是高摻雜層，所述高摻雜層具有與雪崩區相同 類型的導電性并且由相同的半導體材料組成。襯底也可以由與雪崩區材料 相比導電類型相同，而摻雜更少的半導體材料組成。在下接觸側，襯底可 以具有導電類型與雪崩區相同的高摻雜接觸層。根據本發明的其它實施方案，可以通過設置在襯底的背側或底側的電 極或者通過設置在襯底的上側的電極實現與雪崩區接觸。根據本發明的其它實施方案，除其上設置調節器的區域以外，放大雪 崩結構的整個上表面可以覆蓋有電介質層。根據本發明的其它實施方案，將電介質層設置在積分器和雪崩區的上 表面上，并且接觸調節器層的電極占據雪崩結構的整個上表面，或者將具 有上電極的調節器沿著雪崩結構的表面設置。根據本發明的其它實施方案，可以將上電極沿著雪崩結構的整個表面 設置，并且電極可以是透明的。根據本發明的其它實施方案，放大雪崩結構可以包含信號傳輸層，所 述信號傳輸層是沿著雪崩區的一側設置的，并且由摻雜至多與雪崩區同樣程度的或者帶隙比雪崩區更窄的相同半導體材料和導電類型組成。襯底和 所有層可以由相同的半導體材料組成，所述半導體材料的實例包括Si、SiC、 GaN、 GaAs和GaP。根據本發明的其它實施方案，放大雪崩結構可以具有設置在積分器和 調節器之間的另外的導電接觸區，其方式為不與雪崩區以及在積分器和雪 崩區的上表面上的阻擋層直接電接觸，所述阻擋層不與接觸調節器的上電 極接觸。可以將電介質層施加到阻擋層的整個上表面上，并且接觸調節器 的上電極可以占據雪崩結構的整個上表面。阻擋層可以由導電類型相同的 半導體材料組成，并且具有至多與雪崩區同樣程度的摻雜。阻擋層可以由 導電類型相反的半導體材料組成，并且具有比雪崩區更少的摻雜。襯底和 所有層可以由相同的半導體材料組成，所述半導體材料的實例包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs禾卩GaP。根據本發明的其它實施方案，沿著平面襯底設置的以蓋革模式工作的 雪崩放大結構包含兩個電極、設置在襯底和上部第一電極之間的調節器、 設置在調節器的側面周圍的積分器以及設置在積分器的外側周圍的雪崩 區，其中通過鄰接雪崩區的積分器表面執行計量器功能。襯底由導電類型 與雪崩區相同但是電阻率更高的材料制成。放大結構可以包含沿著積分器 和雪崩區的上表面設置的電介質層，并且接觸調節器層的上部第一電極覆 蓋雪崩結構的整個上表面。在積分器和雪崩區上表面上的放大結構可以包 含阻擋層，所述阻擋層由導電類型與雪崩區相同但是電阻率更高的半導體 組成。阻擋電極與接觸調節器的上電極不允許電接觸。根據本發明的其它實施方案，以蓋革模式工作的放大雪崩結構包含兩 個電極、雪崩區、用于累積信號電荷的積分器、用于將雪崩過程開啟和關 閉的計量器和用于從積分器排出電荷的調節器，其中調節器和積分器被依 次設置在電極之一的后面，雪崩區鄰接積分器區的邊緣外圍以避免雪崩區 和調節器的電接觸，并且由積分器表面提供計量器，所述積分器表面鄰接 雪崩區，包含設置在接觸該雪崩區的電介質層上的第三電極。襯底可以由 與雪崩區材料相比具有相同類型的導電性，但是摻雜更少的半導體材料組 成。而且，可以將導電接觸區設置在積分器和調節器之間以避免與雪崩區 直接電接觸，并且在一側的積分器和雪崩區的表面和在另一側的電介質層之間，阻擋層可以由導電類型與雪崩區的導電類型相同，但具有更低的摻 雜雜質濃度的半導體材料組成。根據本發明的其它實施方案，以蓋革模式工作的放大雪崩結構可以包 含雪崩區、用于累積信號電荷的積分器、用于將雪崩過程開啟和關閉的計 量器以及調節器，所述調節器用于從積分器排出電荷，并且控制被設置在 兩個電極之間的重摻雜襯底上的計量器，所述重摻雜襯底上設置有雪崩區 的層，所述雪崩區由導電類型相同但電阻率更高的材料組成。積分器可以 由重摻雜的半導體材料組成，所述半導體材料具有與襯底、高阻抗半導體 材料的調節器和計量器的導電性相反的導電性，所述計量器被設置在雪崩 區和積分器之間的界面。積分器可以在與襯底平面平行的方向上具有低電 導。襯底和除調節器以外的放大雪崩結構的所有層可以由相同的半導體材 料組成。調節器層可以由相同的材料或者帶隙比組成其它層和襯底的材料 的帶隙更寬的材料組成。放大雪崩結構可以包含信號傳輸層，所述信號傳 輸層能夠產生自由電荷載流子并且將電荷傳輸到雪崩區。襯底和所有層可以由相同的半導體材料組成，所述半導體材料的實例包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs禾卩GaP。根據本發明的其它實施方案，以蓋革模式工作的雪崩放大結構包含平 面疊層的半導體結構，所述半導體結構被安裝在兩個電極之間的襯底上， 其中一個接一個順序設置雪崩區和調節器的層，所述調節器能夠從積分器 排出電荷并且控制計量器，并且在雪崩區和調節器的界面執行能夠累積信 號電荷的積分器的功能以及用于將雪崩過程開啟和關閉的計量器的功能。 雪崩區和調節器之間的界面可以在平行襯底平面的方向上具有低電導。根據本發明的其它實施方案，以蓋革模式工作的雪崩放大結構可以由 平面疊層的半導體結構組成，所述半導體結構被設置在重慘雜襯底上的兩 個電極之間，所述重摻雜襯底上接連設置由導電類型與襯底的導電類型相 反的半導體組成的雪崩區以及由高阻抗半導體材料組成的調節器的層，以 將計量器設置在襯底和雪崩區之間的界面，并且將積分器設置在雪崩區和 調節器之間的界面。根據本發明的其它實施方案，以蓋革模式工作的雪崩放大結構可以由 平面疊層的半導體結構組成，所述半導體結構被設置在重摻雜襯底上的兩個電極之間，所述重摻雜襯底上接連設置下列層以將計量器設置在雪崩區和積分器的界面由高阻抗半導體材料組成的調節器；由導電類型與襯底 材料的導電類型相同的重摻雜材料組成的積分器；以及由導電類型與襯底的導電類型相反的半導體組成的雪崩區。所有層和襯底可以由相同的半導 體材料組成，或者除調節器以外的所有層可以由相同的半導體材料組成， 并且調節器層由帶隙比其它層和襯底更寬的材料組成。信號傳輸層可以被 設置在上電極和雪崩區之間，并且能夠產生自由電荷載流子且將電荷傳輸 到雪崩區中。除信號傳輸層以外的所有層可以由相同的半導體材料組成， 而信號傳輸層可以由導電類型與雪崩區相同、帶隙更窄的半導體材料或高 電阻半導體材料組成。襯底和所有層可以由相同的半導體材料組成，所述半導體材料的實例包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs禾B GaP。闡述隨后的公開內容以首先描述各種說明性的獨立或單個結構，所述 結構可以以單獨的方式使用或者可以被集成為分立的放大器的矩陣。艮口， 原則上，各個獨立的結構可以用作與蓋革雪崩光電二極管或單光子雪崩二 極管(SAPD)或內部的分立放大器類似的獨立(self-contained)功能裝置， 但是還特別好地適合集成以提供多通道內分立放大器或多通道蓋革模式 放大器或多通道SAPD陣列。在基本的分立放大結構的說明性實施方案，包括與這些和另外的結構 對應的說明性權利要求的公開之后，描述了基于這些說明性的分立裝置結 構的陣列的多通道分立放大器的各個說明性實施方案。本領域技術人員應該理解，本文的描述包括由說明性權利要求部分提 供的公開內容，是本發明的說明和解釋，而不意在為限制性的或限制通過 本發明可以獲得的優點。因此，附圖組成部分說明了本發明的各個優選實 施方案，并且與說明書和說明性權利要求一起用來解釋本發明的原理。此 外，說明性權利要求不意在限制本發明人所構思、考慮并且預期的本發明 的范圍，而被闡述以提供本發明所包括的主題的另外的理解和公開。在這 方面，這些說明性權利要求是與它們包括的說明性實施方案一起顯示的， 并且參考它們包括的說明性實施方案，并且說明性權利要求和附圖的這些 并置和引用不意在將權利要求限制為實施方案，也不意在將本發明的范圍 限制為在此陳述的說明性權利要求。因此，本領域技術人員應該理解，在此描述的實施方案和備選的實施 方案以及變化只是說明不限于此的本發明。例如，根據各個實施方案的說 明性非限制特征，這些裝置可以是完全均質的半導體裝置，例如全部基于 硅。然而，本領域技術人員應理解，這些裝置可以是使用包括化合物半導 體的其它材料實現的，并且不必是均質的，而可以包括異質部件。更具體 而言，作為實例，盡管隨后的每個說明性實施方案在整個裝置內均使用單 晶硅作為半導體材料，但是本領域技術人員應理解可以使用其它單晶、多 晶、元素和/或化合物半導電材料實現分立的裝置和/或陣列的一個或多個 組件、層或部件。類似地，盡管隨后的說明性實施方案使用均質結和異質 結，但是可以使用金屬-半導體結實現需要的功能。例如，可以通過更寬帶 隙的材料實現調節器，而信號傳輸區具有帶隙比其它層更低的材料。而且， 如本領域技術人員所理解的，除在此明確描述的那些以外，還可以使用各 種其它絕緣和導電(例如，金屬)材料。因此，盡管本發明的說明性實施方案在此的公開以及各種說明性修改 及其特征提供諸多特定性，但是這些啟用的細節不應該被解釋為限制本發 明的范圍，并且本領域技術人員應該容易理解在不偏離本發明的范圍并且 不減少其附帶的優點的情況下，本發明能容許多種修改、改編、改變和等 同的實施。還應指出術語和表述用作說明性術語，而不是限制性術語。不 意在使用所述術語或表述而排除所顯示并且描述的特征及其部分的任何 等價物。因此，希望本發明不限于公開的實施方案，而應該根據將在要求 本臨時申請的優先權的任何非臨時申請中給出的權利要求來限定。本發明提供相對于相關技術的幾個優點。本發明促進用于記錄并且計 算單獨的電子和光子的獨立高靈敏儀器。本發明適用于單和多通道裝置。 本發明獨特地允許構建具有高放大因數、低噪音和快響應速度的檢測器。


在根據結合附圖進行的下列描述考慮本發明時，本發明的另外的方 面、特征和優點應該得到理解，并且應該變得更顯而易見，其中圖1A-1C是本發明的幾個說明性實施方案的示意性橫截面圖，所述實 施方案包含具有反向偏壓的雪崩方向的雪崩放大結構，顯示了電極、雪崩27區、計量器、積分器、調節器、襯底和任選的信號傳輸層的位置關系；圖2A顯示了與圖1A的結構對應的材料層序列；圖2B-2C描述了在放大器的各種操作條件中與圖2A中所示的材料層結構對應的能帶圖；圖2D描述了在圖1A中所示的雪崩放大結構的功能組件； 圖3顯示了根據本發明的一個實施方案的反向偏壓的雪崩放大結構的橫截面圖，所述雪崩放大結構具有空穴和電子積分器；圖4描述了在圖3中所示的雪崩放大結構的功能組件； 圖5顯示了根據本發明的一個實施方案的反向偏壓的雪崩放大結構的橫截面圖，所述雪崩放大結構具有空穴、電子積分器和空穴的埋入通道； 圖6A-6B顯示了根據本發明的實施方案，兩種反向偏壓的雪崩放大結構的橫截面圖；圖7A-7C是本發明的幾個說明性實施方案的示意性橫截面圖，所述實 施方案包含具有正常的雪崩方向的雪崩放大結構，顯示了電極、雪崩區、 計量器、積分器、調節器、襯底和任選的信號傳輸層的位置關系；圖8A顯示了與圖7A的結構對應的材料層序列；圖8B-8C描述了在放大器的各種操作條件中與圖8A中所示的材料層結構對應的能帶圖；圖9顯示了根據本發明的一個實施方案，具有保護環(ring guard)區的 正常方向的雪崩放大結構的橫截面圖；圖10顯示了根據本發明的一個實施方案，使用高場注入的正常方向 的雪崩放大結構的橫截面圖；圖11顯示了根據本發明的一個實施方案，具有背面照明的正常方向 的雪崩放大結構的橫截面圖；圖12顯示了根據本發明的一個實施方案，使用高場注入和空穴積分 器的正常方向的雪崩放大結構的橫截面圖-,圖13描述了在圖12中所示的正常方向的雪崩放大結構的功能組件；圖14顯示了根據本發明的一個實施方案的正常方向的雪崩放大結構 的橫截面圖，所述雪崩放大結構具有保護環和空穴積分器；圖15A-150是本發明的各個說明性實施方案的示意性橫截面圖，所述實施方案包含具有橫向的雪崩方向的以蓋革模式工作的雪崩放大結構，顯 示了電極、雪崩區、計量器、積分器、調節器和襯底以及任選的電介質層、 信號傳輸層、阻擋層、接觸區和第三電極的位置關系；圖16顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截面圖；圖17描述了在圖16中所示的橫向雪崩放大結構的功能組件；圖18顯示了根據本發明的一個實施方案的包含InGaAsP的橫向雪崩 放大結構的橫截面圖；圖19顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有沿著裝置的一側設置的一對電極；圖20顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有三個電極；圖21顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有沿著裝置的一側設置的單個大電極；圖22顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有阻擋層；圖23顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有沿著裝置的上側的埋入通道和單個大電極；圖24顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有埋入通道和三個電極；圖25顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有沿著裝置的上側的空穴積分器和單個大電 極；圖26顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有埋入通道、空穴積分器和三個電極；圖27顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有空穴積分器和在裝置周圍相反設置的一對電 極；圖28A-28B是本發明的兩個說明性實施方案的示意性橫截面圖，所述 實施方案包含具有正常的雪崩方向、基于MIS而具有漏極以及三個電極的雪崩放大結構，顯示了電極、雪崩區、計量器、積分器、調節器、襯底和 電介質層的位置關系；圖29顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有正常的雪崩方向、基于MIS而具有漏極以及 三個電極；圖30A顯示了與圖29的結構對應的材料層序列；圖30B-30C顯示了在放大器的各種操作條件中與圖30A所示材料層 結構對應的能帶圖；圖30D描述了在圖29中所示的雪崩放大結構的功能組件；圖31顯示了根據本發明的一個實施方案的橫向雪崩放大結構的橫截 面圖，所述雪崩放大結構具有正常的雪崩方向，基于MIS并具有漏極以及 三個電極；圖32A顯示了與圖31的結構對應的材料層序列；圖32B-32C描述了在放大器的各種操作條件中與在圖32A中所示的 材料層結構對應的能帶圖；圖32D描述了在圖31中所示的雪崩放大結構的功能組件；圖33是本發明的一個示例性實施方案的示意橫截面圖，所述實施方 案包含具有橫向的雪崩方向和空穴積分器的雪崩放大結構，顯示了電極、 雪崩區、計量器、積分器、調節器、襯底、電介質層和信號傳輸層的位置 關系；圖34是一個示例性多通道裝置的示意橫截面圖，所述多通道裝置由 示于圖33中的橫向雪崩放大結構組成；圖35顯示了根據本發明的一個實施方案的示于圖34中的多通道裝置 的橫截面圖，所述多通道裝置由示于圖33中的橫向雪崩放大結構組成；圖36是根據本發明的一個實施方案的示于圖37中的多通道裝置的俯 視圖；圖37是根據本發明的一個實施方案的具有單電極的多通道裝置的俯 視圖；以及圖38A-38B是根據本發明的幾個實施方案的幾個示例性多通道裝置 的橫截面圖。
具體實施方式
本申請基于下列美國臨時申請并且根據35 U.S.C. § 119(e)要求其優先 權2005年6月10日提交的美國臨時申請60/689,417和2005年6月17 日提交的60/691,931，題目"High Sensitivity, High Resolution Detector Devices and Arrays"，其全部內容通過弓1用結合在此。在可能時，如下面所用的參考標記對應如下列專利文獻中所用的參考 標記美國專利6,885,827 B2和在2005年3月14日提交的美國專利申請 11/080,019，兩者的題目都是"High Sensitivity, High Resolution Detection of Signals "，其每一個具有相同的發明實體并且屬于與本申請共同的所有者， 并且其每一個的全部內容通過引用結合在此。下面的描述包括以(l)標準計量器，反向偏壓設計；(2)標準計量器，標 準偏壓設計；(3)橫向計量器，標準偏壓設計和(4)可變計量器，標準偏壓設 計形式區分的單通道裝置。可以將在此描述并且要求專利權的設計設置成 各種陣列構造，從而提供無窮多的陣列設計。各個實施方案是在光26碰 撞至少一個電極的情況下顯示的。低摻雜通常被理解為指小于10"crr^并 且重摻雜或高摻雜指大于1017cm—3。在此所述的裝置是通過本領域中熟悉 的方法制造的。作為背景，調節器的功能是由其比雪崩層更高的阻抗提供的。通過在 USPN 6,885,827中描述的各種方法，包括低摻雜水平，具有低的載流子遷 移率或通過特殊處理具有人為降低的遷移率的材料實現高阻抗。還利用在 調節器層和鄰接層之間的勢壘實現需要的阻抗。通過在調節器和鄰接層內 部的摻雜調節勢壘高度。如果鄰接層是金屬，則可以通過其功函調節勢壘。調節器起著控制或調節計量器的電勢的作用，所述計量器然后將這種 電勢轉變為電場，從而將閾值放大器切換為ON或OFF狀態并且從積分器 排出累積的電荷以使積分器返回到其初始狀態。高的阻抗虛部(imaging part of impedanc)(由于元件電感、電流相位相 對于電壓相位的移動)提供需要的調節器功能,意味著在信號載流子倍增的 同時調節器短時間內具有極低的電導率，從而在幾乎沒有排出的情況下有 效地累積所有產生的電荷。另一方面，在短時間(延遲)后，電導變高(等于31阻抗的實部)，從而允許排出累積的電荷并且迅速返回到初始狀態。通過材料性能(低的載流子遷移率)或在調節器和鄰接層之間存在勢壘 提供高的阻抗虛部。材料性能導致電流相對于施加電壓的延遲。低遷移率 可以通過離子注入(和其它的特殊處理)實現，或者可以是材料本身的性能。 勢壘防止來自積分器的累積電荷(即電子)立即流向調節器，并且在調節器 另一側的第二勢壘是對另一種類型的載流子(即空穴)而言的。單通道裝置-標準計量器，反向偏壓現在參考圖1A，顯示了雪崩放大結構1的一個實施方案的一個單通 道元件，所述雪崩放大結構1使用反向偏壓供給的電壓以蓋革模式工作。 雪崩放大結構1是大體上平面的結構，所述結構包含以下述順序設置和接觸的第一電極2、雪崩區3、計量器4、積分器5、調節器6、襯底7和第 二電極8。雪崩區3包含電導與重摻雜襯底7的電導相反的多個半導體層。 調節器6是弱摻雜的半導體材料，由此將計量器4設置在積分器5和雪崩 區3之間的界面。同樣，將積分器5設置在調節器6和雪崩區3之間。現在參考圖1B，顯示了以蓋革模式工作的反向偏壓的雪崩放大結構1 的備選實施方案，所述實施方案包含處于下述順序的第一電極2、調節器 6、積分器5、雪崩區3、計量器4、襯底7和第二電極8。雪崩區3包含 電導與重摻雜襯底7的電導相反的多個半導體層。將計量器4設置在襯底 7和雪崩區3之間的界面。將積分器5設置在調節器6和雪崩區3之間的 界面。現在參考圖1C，顯示了以蓋革模式工作的反向偏壓的雪崩放大結構1 的另一個備選實施方案，其中將信號傳輸層27設置在圖1A中所示的第一 電極2和雪崩區3之間。將計量器4設置在積分器5和雪崩區3之間的界 面。各種材料適用于圖1A-1C中的雪崩區3、計量器4、積分器5、調節 器6、襯底7和信號傳輸層27。例如，每一層可以由相同或不同半導體材 料組成，實例包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs禾B GaP，所述半導體材料被摻雜 以提供需要的電性能。在其它實施方案中，調節器6可以由帶隙比其它層 的帶隙更寬的材料組成。在另外的其它實施方案中，信號傳輸層27可以由帶隙比其它層的帶隙更窄的材料組成。在另外的其它實施方案中，第一 電極2和/或第二電極8可以由導電金屬或透光并且導電的材料組成，其實例包括但不限于透明的ITO和Al摻雜的ZnO。而且，雪崩區3、計量器4、 積分器5、調節器6和襯底7以及信號傳輸層27可以包含被設置為形成疊 層結構的兩個或更多個層，所述疊層結構具有或不具有內含物或者具有另 外的其它非摻雜和摻雜的半導體材料的區域。層和裝置可以包括平面和非 平面的形狀。同樣，截面圖可以顯示平面的和/或徑向的范圍的結構。Si02 層可以由其它相當的材料組成。現在參考圖2A，材料層序列被顯示為與圖1A中所示的雪崩放大結構 1的一個示例性實施方案對應。該裝置包含透明電極105、p-Si層100、n+-Si 層102、 i-Si層110、 n、Si層109和電極106。優選為金屬的電極106電連 接到具有正電壓Usup的電源上，并且透明電極105與地電連接。現在參考圖2B-2C，提供能帶圖以說明圖2A中的裝置的功能。圖2B 顯示了在出現信號載流子之前的裝置的初始狀態，即將正電壓Usup施加到 電極106上，n+-Si層109具有電極106的電勢，并且重摻雜n+-Si層102 放電并且以浮置(floated)電極的形式工作以獲得與n+-Si層109幾乎相同的 電勢。在本實施例中，將幾乎全部電壓施加到p-Si層IOO上。電壓應該是 足夠的，使得p-Si層100中的電壓降(Uamp)超過處于ON狀態的雪崩擊穿 值。在本實施例中，p-Si層100是雪崩閾值或蓋革模式放大器。從圖2B 中看出，施加到放大器上的電壓(U,)等于Usup-Ur，其中Ur由i-Si層110 中的小電壓降產生。如果U最初太高，則由于場增強的熱發射或者與從 n+-Si層102至n+-Si層109跨過圖2B中所示的勢壘的電子相關的放電電 流，它將隨著時間降低。i-Si層110可以由i-型、弱摻雜的p-型或弱摻雜 的n-型半導體材料組成。在i-Si層110內的摻雜調節在調節器和鄰接層之 間的勢壘高度。在沒有來自p-Si層100的充電電流的情況下，與圖1A中 的積分器5對應的n+-Si層102放電，直至其電勢幾乎等于電極106的電 勢。現在參考圖2C，當自由載流子(電子)出現在p-Si層100的高場區中時， 它引發過擊穿雪崩倍增，從而通過區-區(zone-zone)碰撞電離過程產生新的 電子62和空穴64對。雪崩電子電流及時地迅速增力[]，并且變得比來自11+^層102的流出電流更大，并且在p-Si層100中產生的電子62將積分器5 或11+^層102迅速充電。所述的行為降低了放大器或p-Si層100內的電 壓降，并且關閉雪崩過程以將放大器切換至OFF狀態。在放大器上的電壓降與在i-Si層110或調節器6中的電壓升高相關， 從而導致在放大器和調節器6之間的供給電壓的再分配。調節器6導致積 分器5的放電延遲，從而使電流相位相對于雪崩電流及時移動。這種延遲 足以終止放大器內的雪崩過程。盡管不意在受到理論束縛，但是放電延遲可以具有依賴于裝置狀態以 及調節器6的設計和性能的一個或多個物理原因。例如，最初，當電壓 Ur低時，熱發射或放電電流比雪崩或到積分器5的充電電流小。當Ur增 加時，主要的原因可能包括流出電流受到空間電荷效應的自限制、自由載 流子通過調節器6的有限飛行時間、在調節器6內的載流子遷移率比放大 器中的載流子遷移率更低或者限制電流放電或與雪崩電流相比其相位的 移動的其它物理機制。據估計，根據裝置設計和需要的增益，足以將放大 器變為OFF狀態的最小延遲時間在約10-400皮秒的范圍內，從而表示響 應一個信號載流子在積分器5內累積的基本電荷的數量。在將放大器切換至OFF狀態之后，到積分器5中的充電電流變為零， 并且積分器5通過調節器6放電，放大器被切換回到ON狀態，并且裝置 返回到圖2B中所示的初始狀態。通過由i-Si層110(電容讀出器)分開的重摻雜n+-Si層102和n+-Si層 109的互電容或者通過調節器6或電流讀出器檢測積分器5放電電流，可 以讀出來自積分器5內累積的雪崩倍增電荷的結果。兩種讀出方法導致在 電極106中出現與積分器5內累積的電荷對應的電荷。現在參考圖2D，參考圖2A中的裝置的相應的物理示例顯示分立放大 器的功能性方案。該功能性方案被顯示為包含傳輸器9、閾值放大器IO、 計量器ll、積分器12、調節器13和讀出器14。傳輸器9與其中電場不為零的p-Si層100的部分對應。自由電子在傳 輸器9內碰撞，并且被傳輸到閾值放大器10的輸入端。閾值放大器10與p-Si層100的一部分對應，在該部分電場對于處于 ON狀態的碰撞電離是足夠的。p-Si層100內的電壓降超過擊穿電壓，從而允許閾值放大器10以蓋革模式工作。計量器ii與p—Si層100和n+-Si層102之間的界面對應。計量器11 的電勢調節閾值放大器10中的雪崩過程(電場強度)。對于平面的計量器 11，傳輸常數等于1。對于非平面的設計，基于導致場集中使得對于相同 的電勢最大場變得更高的設計的曲率，大于1的傳輸常數是可能的。計量 器11起著將積分器12電勢轉變為限定雪崩強度的場強度的作用。傳輸常 數可以被定義為場強度相對于電勢的增加的反應或增加。積分器12是在11+-&層102內示出的，因為它累積來自閾值放大器10 的電流并且控制計量器11的電勢。調節器13是在i-Si層110內示出的，因為它調節來自積分器12的放 電電流并且延遲放電以將閾值放大器10轉變至OFF狀態，以及在電荷載 流子的放大之后使裝置返回到其初始狀態。讀出器14，即電容變體，具有11+^層102、 i-Si層110和！1+^層109 組成的電容。如此，在積分器12內累積的電荷誘導在11+-&層109中以及 在與其電耦合的第二電極106上的相反信號電荷的出現。在圖2B-2C中的能帶圖進一步顯示了具有接近第一電極105的未耗盡 區的p-Si層100。典型的p-Si層100為5-6i^m寬，具有4Q-cm的電阻率。 在備選實施方案中，p-Si層IOO的寬度可以小于耗盡區寬度，使得電場到 達p-Si層100和第一電極105的界面，從而允許通過靠近界面的光產生的 光載流子有效地聚集。在一些實施方案中，在電場到達界面時，可以需要 防止電子從電極105注入p-Si層100中。如此，電極105可能具有電子的 肖特基勢壘或者置于電極105和p-Si層100之間的p+區。從上面的描述中非常明顯的是，本發明使用新的在裝置內集成的猝滅 (quenching)的內部方案，以蓋革計數器的形式工作，所述內部方案與本領 域中已知的有源和無源猝滅不同。有源猝滅需要通過上述功能性沒有提供 的外部或集成的有源電子器件。無源猝滅需要通過上述功能性沒有提供的 電阻器或電阻層。圖3、 5和6A-6B涉及所述說明性裝置的具體實施方案。現在參考圖3，對于本發明的一個實施方案，顯示了具有空穴和電子 積分器的反向偏壓的雪崩放大結構1。該裝置包含透明電極105、分開的&02層107(絕緣體)、p+-Si區103(重慘雜區)、p-Si區112、 p-Si層100、 p--Si層110、 n、Si層102、 ntSi層109和電極106。 p-Si層100的厚度應 該足夠小，使其完全耗盡以增加短波靈敏度。p-Si層IOO的優選實施方案 包括2-3Q-cm的摻雜以及2.5-3pm的厚度。用于這種裝置的譜范圍是 300-400nm(依賴于電極105材料的最短波長)并且至多是700-800 nm。對 于至多1060nm的更長波長的譜靈敏度，p-Si層100的寬度增加，并且摻 雜水平降低。包含一個或多個p"-Si區103以阻止電子從透明電極105注入耗盡的 p-Si層100。如果p-Si層IOO不是完全耗盡的，并且場沒有到達透明電極 105，則p^Si區103可以不是必需的；然而，通常，這將對短波長提供很 低的譜靈敏度，所述短波長產生靠近p-Si層IOO的頂部表面的光載流子。 如果該區域沒有耗盡，則光載流子將復合而喪失。得到的裝置是可操作的， 但不是最佳的。然而，在場到達透明電極105(—個更佳的變體)時，于是 需要p+-Si區103以阻止電子的注入。在優選實施方案中，p-Si層100為 2-4pm厚，具有10Q-cm電阻率。優選p-Si區112由相同的材料組成，具有相同的活性雜質摻雜，并且 在沿p-Si層100的Si-Si02界面的橫向上具有更低的空穴遷移率。通過中 性雜質摻雜、輻照或p對n摻雜形成p-Si區112。現在參考圖4，顯示了圖3中的實施方案的功能性方案。與圖2A中 的裝置不同，圖3的裝置包含兩個積分器12、 16以及兩個調節器13、 17， 從而延遲相應的積分器12、 16的放電以起著如圖2A中對i-Si層110所述 的電子調節器的作用，并且起著與p-Si區112對應的空穴調節器的作用。當通過自由載流子引發p-Si層100中的雪崩時，空穴64累積在p-Si 區112或空穴積分器中的界面，從而與透明電極105相比，增加p-Si層 100的頂部表面的電勢。這種電勢增加局限于在n+-Si層102正上方。在 p-Si層100中的電壓降(U，)降低直至累積的正電荷流向p+-Si區103，然 后流向透明電極105。非常明顯的是空穴調節器以與p'-Si層110類似的方 式工作。得到的延遲時間依賴于沿著在P-Si區112中的界面移動的空穴的 遷移率。再次參考圖4，傳輸器9、閾值放大器10和計量器11調整雪崩過程，從而將電子積分器12的電勢轉移到在11+-81區102和p-Si層100之間的界 面的閾值放大器IO。計量器17調整雪崩過程，從而將空穴積分器的電勢 轉移到閾值放大器10，所述閾值放大器10在n+Si區102上方的Si和Si02 層107之間的界面，并且將電子積分器12設置在n+Si區102中。將空穴 積分器16設置在n+-Si區102上方的p-Si區112和Si02層107之間的界 面。在除去累積的電子電荷后，電子調節器13延遲電子積分器12的放電。 在除去累積的空穴電荷后，空穴調節器17延遲空穴積分器17的放電，其 與p-Si區112、電子讀出器14和空穴讀出器18對應。當電場到達p-Si區112時并且當p-Si層100和p-Si區112完全耗盡 時，在圖2D中的功能性方案變為圖4中的功能性方案。現在參考圖5，顯示了圖4中的裝置的一個備選實施方案，其中除去 p-Si區112并且用空穴的埋入通道114代替，并且增加i-Si區113(第二調 節器)以將p"-Si區103與透明電極105分開。第二調節器由第一或透明電 極105和？+^區103(重摻雜區)之間的高阻抗半導體材料組成，并且于8102 層107內的開口或孔腔一起存在。第二積分器是在雪崩區和所述第二調節 器之間的界面形成的。埋入通道114是薄層，優選為0.3阿，具有n摻雜， 并且是通過本領域中已知的方法制造的。埋入通道114提高空穴沿著通道 的界面的遷移率。在埋入通道內的摻雜濃度應該是足夠的，使其被p-Si 層100中的場完全耗盡。埋入通道114確保通過p-Si層100中的雪崩產生的所有空穴沿著層迅 速移動，并且累積在p+-Si區103或空穴積分器中。結果是將p+-Si區103 充電，從而相對于透明電極105增加其電勢。p+-Si區103和i-Si區113以 相同的方式工作。結果是i-Si區113中的電壓降，和放電以及將閾值放大 器切換為OFF狀態的延遲。在這種裝置中的空穴計量器是在埋入通道114 和p-Si層100之間的界面。p+-Si區103的充電導致埋入通道114中累積的空穴的充電以及埋入 通道114內的電勢的均勻增加，所以在空穴積分器的電容中包含埋入通道 114。在圖6A-6B中顯示了圖5中的裝置的備選實施方案。例如，在圖6A 中，從圖5中除去i-Si區113。而在圖6B中，除去了p、Si層110。同樣，37可以將在圖6A-6B中的裝置制造成沒有埋入通道114。單通道裝置-標準計量器，標準偏壓各種材料適用于圖7A-7C中的層和區域。例如，每一層可以由實例包 括Si、 SiC、 GaN、 GaAs和GaP的相同或不同半導體材料組成，所述半導 體材料被摻雜以提供需要的電性能。在其它實施方案中，調節器6可以由 帶隙比其它層的帶隙更寬的材料組成。[]在另外的其它實施方案中，信號傳輸層27可以由帶隙比其它層的 帶隙更窄的材料組成。在另外的其它實施方案中，第一電極2和/或第二電 極8可以由導電金屬或光透射并且導電的材料組成，其實例包括但不限于 透明的ITO和Al摻雜的ZnO。而且，層和區可以包含兩個或更多個層， 它們被設置為形成疊層結構，所述疊層結構具有或不具有內含物或者具有 另外的其它非摻雜和摻雜的半導體材料的區域。層和裝置可以包括平面和非平面的形狀。同樣，截面圖可以顯示平面的和/或徑向的范圍的結構。Si02層可以由其它相當的材料組成。現在參考圖7A，顯示了雪崩放大結構1的一個實施方案的一個單通 道元件，所述雪崩放大結構l采用正常的雪崩方向以蓋革模式工作。雪崩 放大結構1是大體上平面的結構，包含以下述順序設置的第一電極2、用 于從積分器5排出電荷并且控制計量器4的調節器6、累積信號電荷的積 分器5、用于將雪崩過程開啟和關閉的計量器4、雪崩區3、襯底7和第二 電極8。在積分器5和雪崩區3之間的界面形成計量器4。積分器5可以 在平行襯底7的平面的方向上具有有限的電導。在一些實施方案中，所有 層可以由相同的材料組成。在其它實施方案中，優選調節器層由具有比其 余半導體層的帶隙更寬的帶隙的半導體材料制成。現在參考圖7B，顯示了雪崩放大結構1的單通道元件的另一個備選 實施方案，所述雪崩放大結構l釆用正常的雪崩方向以蓋革模式工作，包 含設置在圖7A中的雪崩區3和襯底7之間并且與它們接觸的信號傳輸層 27。信號傳輸層27在信號作用下產生自由電荷載流子，并且實現將它們 傳輸到雪崩區3中。現在參考圖7C，顯示了雪崩放大結構1的單通道元件的一個備選實施方案，所述雪崩放大結構l采用正常的雪崩方向以蓋革模式工作，包含 以下述順序設置的第一電極2、調節器6、雪崩區3、襯底7和第二電極8。雪崩區3和調節器6從積分器5排出電荷，并且控制計量器4。累積信號 電荷的積分器5的功能以及將雪崩過程開啟和關閉的計量器4的功能是在 雪崩區3和調節器6之間的界面執行的。在雪崩區3和調節器6之間的界 面可以在平行襯底7的平面的方向上具有有限的電導。對于采用正常的雪崩方向以蓋革模式工作的放大雪崩結構1，同樣可 以包含雪崩區3、用于累積信號電荷的積分器5、用于將雪崩過程開啟和 關閉的計量器4、以及用于從積分器5排出電荷并且控制計量器4的調節 器6，它們共同組成平面疊層的半導體結構，所述半導體結構被設置在一 對電極2, 8之間的重摻雜襯底7上。雪崩區3可以由導電性相同但電阻率 更高的材料組成，積分器5由導電性與襯底7的導電性相反的重摻雜半導 體材料組成，調節器6由高阻抗半導體材料組成，并且計量器4被設置在 雪崩區3和積分器5之間的界面。現在參考圖8A，顯示了材料層序列，所述材料層包含電極106、 p-Si 層100、 n+-Si區102、 i-Si層110和透明電極105。圖8B-8C顯示了描述 與圖8A中的裝置層對應的功能方面的能帶圖。現在參考圖8B-8C，該裝置包含具有取向[100]并且電阻率為 10-100Q-cm的硅襯底，從而具有寬的耗盡區。n+-Si區102是重摻雜的， 并且具有小于0.5pm的寬度。i-Si層110具有小于幾pm的寬度。當可以 忽略n+-Si區102和i-Si層110中的光吸收時，預期該裝置用于紅-紅外波 長。本發明的備選實施方案可以包括i-Si層110，所述i-Si層110由帶隙 比硅更寬， 一個實例為非摻雜ZnO的半導體組成，以降低所述層內的光吸 收并且增加短波長靈敏度(綠-藍)。這些實施方案具有電阻率為1-10 Q-cm 的外延p-Si層100。如由圖8B-8C中ON和OFF狀態的能帶圖所說明，操作與類似的反 向偏壓設計幾乎相同。主要區別在于當通過i-Si層110(調節器)使11+-31層 102(積分器)放電時，電子和空穴電流可能參與。圖9-12和14涉及所述說明性裝置的具體實施方案。現在參考圖9，顯示并且描述了具有保護環區的正常方向的雪崩放大結構1的橫截面圖，所述雪崩放大結構1包含透明電極105、 &02層107、i-Si層110、 n+-Si保護環108、 n+-Si層102、外延的p-Si層100、 p+-Si層 90(襯底)以及電極106。 i-Si層110(調節器)在尺寸上小于該裝置，優選其 直徑為幾pm以將光吸收降至最低。在一些實施方案中，i-Si層110可以 由具有比硅更寬的帶隙，一個實例為未摻雜ZnO的半導體組成。信號光26 通過n+-Si層102(積分器)進入外延的p-Si層IOO(雪崩區)。如此，n+-Si層 102是薄的，典型地小于0.4pm以將該層內的光吸收降至最低。n+-Si保護 環108抑制邊緣效應，并且確保雪崩過程在n+-Si層102(積分器)下面的區 域上是均勻的。在藍-綠光實施方案中，外延p-Si層IOO具有l-2Q-cm的 電阻率以及幾個的寬度以將耗盡區內的熱生電流降至最低。在紅-紅外 實施方案中，外延p-Si層100具有幾十的更高寬度以及更高的電阻率。 通過本領域中熟悉的方法計算外延p-Si層100的寬度和電阻率的精確值， 以獲得該裝置所需的譜靈敏度和其它參數。所描述的裝置及其功能元件(積 分器、計量器、調節器、襯底和雪崩區)的操作是如上所述的。現在參考圖10，顯示并且描述使用高場注入的正常方向的雪崩放大結 構1，所述雪崩放大結構1包含透明電極105、 Si02層107、 i-Si層110、 n+-Si區102、 p-注入層101、外延p-Si層100、 p+-Si層90(襯底)以及電極 106。在本實施方案中，使用高場注入代替圖9中的擴散保護環抑制邊緣 效應。這種方法將裝置中不存在雪崩的未使用面積降至最低。p-注入層101 是n+-Si區102以外的薄區域。雪崩倍增局限于p-注入層101內。i-Si層 110的直徑為幾個pm以將該層內的光吸收降至最低。在一些實施方案中， i-Si層110可以由具有比硅更寬的帶隙， 一個實例為未摻雜ZnO的半導體 組成。所述裝置的紅外實施方案可以使用背面照明(充足-穿過(rich-through)) 工作，其中場尾(fieldtail)穿透低摻雜的外延p-Si層100以有效地聚集光載 流子，具有高的時間分辨率，同時具有低的工作電壓。如上面對圖9描述， i-Si層110(調節器)具有小直徑。現在參考圖11，顯示并且描述使用背面照明(充足-穿過)的正常方向的 雪崩放大結構，所述雪崩放大結構包含電極106、 Si02層107、 i-Si層110、 n+-Si層102、 if-Si保護環108、外延p-Si層100、 p、Si層104、 p+-Si層103 以及透明電極105。該裝置的操作如在上圖9中所述，不同之處在于將傳輸器-光轉換器設置在p、Si層104內。此外，i-Si層110的直徑為幾個pm 以將該層內的光吸收降至最低。在一些實施方案中，i-Si層110可以由具 有比硅更寬的帶隙， 一個實例為未摻雜ZnO的半導體組成。p—-Si層104(襯 底)具有高電阻率(低摻雜的)并且在工作電壓下完全耗盡。所述裝置能夠檢測波長高達1.06 pm的紅外光。雪崩現象發生在p-Si層100內，所述p-Si層lOO具有比p--Si層104 包含的傳輸-光轉換區更高的摻雜。選擇p-Si層100的寬度和摻雜使得電 場不下降至零，而具有穿透被高摻雜？+-81層103阻擋的p.-Si層104的長 尾部。p、Si層104的寬度應該足以對該裝置提供結構強度，優選高達幾百 pm。 p.-Si層104中的場強度對于雪崩應該是不足的，但是足夠高，使得 自由載流子可以在其中以飽和速度(104V/cm)移動，該飽和速度是通過本 領域中熟悉的方法計算的。p+-Si層103應該盡可能薄以將該層內的光吸收降至最低。然而，p+-Si 層103應該不是完全耗盡的，并且其寬度應該足以阻擋電子從透明電極 105注入p'-Si層104中。可以通過本領域中同樣熟悉的方法將本領域中熟 悉的各種抗反射涂層增加到該裝置中。現在參考圖12，顯示并且描述使用高場注入和空穴積分器的正常方向 的雪崩放大結構l，所述雪崩放大結構1包含透明電極105、 Si02層107、 n+Si層102、p-Si層101、外延p、Si層100、 p+-Si區130、外延i-Si層113、 p+-Si層90(襯底)和電極106。該裝置與圖10不同在于由p+-Si層130提供 空穴積分器，并且增加外延i-Si層113作為空穴調節器代替電子積分器。 而且，除去圖10中的i-Si層110，并且將11+^層102直接耦合到透明電 極上以避免電子的累積。現在參考圖13，顯示并且描述圖12的正常方向的雪崩放大結構1的 功能組件。傳輸器9對應外延的^-31層IOO的耗盡部分，閾值放大器IO 對應p-Si層101，電子計量器11對應在11+^層102和p-Si層101之間的 界面，電子讀出器14對應透明電極105，空穴計量器15對應p—-Si層100 和p+-Si層130之間的界面，空穴積分器16對應p+-Si層130，空穴調節器 17對應外延i-Si層113，空穴讀出器18對應通過由p+-Si區130、外延i-Si 層113和p+-Si層90組成的電容(信號的HF部分)的電極106，以及通過外延i-Si層113至電極106的電流(信號的LF部分)。當考慮相反的極性和載 流子類型時，空穴積分器和空穴調節器的操作與上述操作沒有差別。在除去積分器中的累積電荷之后，該裝置將雪崩放大器切換為OFF。設計外延p.-Si層100的寬度和摻雜水平使得該層是完全耗盡的。外 延i-Si層113可以由調節空穴的勢壘高度的p-型或n-型材料組成。p+-Si 層130的尺寸、形狀和p+-Si層130與n+-Si層102的距離是影響計時、抖 動、最大過電壓、在固定過電壓下的增益以及其它性能特性的調節參數。本實施方案的優點在于，與任何雪崩蓋革光電檢測器或非蓋革APD 的常規設計不同，在雪崩區之前沒有另外的層，并且沒有另外的光吸收。 而且，將猝滅系統設置在工作區后面，從而允許它與蓋革光電檢測器一起 使用。結果是使用DC電壓工作的能力和猝滅系統，所述猝滅系統比常規 的無源和有源猝滅方法更有效率得多。現在參考圖14，顯示并且描述了具有保護環和空穴積分器的正常方向 的雪崩放大結構l，所述雪崩放大結構1包含透明電極105、 Si02層107、 n+-Si層102、 11--81保護環108、外延p--Si層lOO、 p+-Si區130、外延i-Si 層113、 ？+-&層90(襯底)以及電極106。該裝置與圖12的不同在于使用保 護環設計代替高場注入設計。單通道裝置-橫向計量器，標準偏壓各種材料適用于在圖15A-150中的層和區域。例如，每一層可以由實 例包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs和GaP的相同或不同半導體材料組成，所述 半導體材料被摻雜以提供需要的電性能。在其它實施方案中，調節器6可 以由帶隙比其它層的帶隙更寬的材料組成。在另外的其它實施方案中，信 號傳輸層27可以由帶隙比其它層的帶隙更窄的材料組成。在另外的其它 實施方案中，第一電極2和/或第二電極8可以由導電金屬或透光并且導電 的材料組成，其實例包括但不限于透明的ITO和Al摻雜的ZnO。而且， 層和區域可以包含被設置為形成疊層結構的兩個或更多個層，所述疊層結 構具有或不具有內含物或者具有另外的其它非摻雜和摻雜的半導體材料 的區域。層和裝置可以包括平面和非平面的形狀。同樣，截面圖可以顯示 平面的和/或徑向的范圍的結構。Si02層可以由其它相當的材料組成。現在參考圖15A，顯示并且描述以具有橫向雪崩方向的蓋革模式工作 的雪崩放大結構1，所述雪崩放大結構1包含以下述順序分層設置的第一電極2、調節器6、積分器5和雪崩區3、襯底7以及第二電極8。優選雪 崩區3、襯底7和第二電極8具有相當的橫向范圍(extent)。同樣，優選第 一電極2和調節器6在范圍(extent)上比積分器5略小。雪崩區3包含穿過 其厚度的的孔洞，在孔洞內存在著積分器5。孔洞和積分器5應該充分大 于調節器6以避免在調節器6和雪崩區3之間的直接接觸。積分器5的外 圍應當直接接觸雪崩區3使得在這兩種材料之間的界面起環形計量器4的 作用。積分器5負責累積信號電荷。計量器4控制雪崩過程的ON和OFF 狀態。調節器6從積分器5排出電荷并且控制計量器4。 圖15B-150顯示了圖15A中的裝置的變體。在圖15B中，由本領域中熟悉的一種或多種材料組成的電介質層19 環繞調節器6的外圍。優選電介質層19同時覆蓋并且接觸積分器5和雪 崩區3，而不提供調節器6和雪崩區3之間的電管路。在圖15C中，將第二電極8從襯底7上除去，并且用環形結構代替。 第二電極現在接觸雪崩區3，并且被設置在調節器6以及電極2周圍，所 述調節器6以及電極2在包括積分器5和雪崩區3的表面上延伸。在圖15D中，在圖15B中的第一電極2延伸至完全覆蓋調節器6和 電介質層19。在圖15E中，調節器6在電介質層19上面延伸，并且具有T形結構 以覆蓋電介質層19的最上表面。第一電極2接觸在積分器5周圍的T-形 調節器6。在圖15F中，圖15E中的第一電極2現在延伸至接觸并且覆蓋T-形調 節器6，以具有與第二電極8 —樣大的橫向范圍(extent)。在圖15G中，襯底7和第二電極8橫向延伸至雪崩區3的邊緣以外。 信號傳輸層27被設置在雪崩區3的外圍周圍并且與其接觸。優選信號傳 輸層27與雪崩區3 —樣厚。信號傳輸層27由還組成雪崩區3而更少摻雜的組成的半導體材料組成。在圖15H中，導電接觸區25被設置在調節器6和積分器5之間。接 觸區25具有比積分器5更小的橫向范圍(extent)，以避免與調節器6直接43電接觸。阻擋層24被設置在接觸區25的外圍周圍并且與其接觸。同樣，阻擋層24覆蓋積分器5和雪崩區3。阻擋層24由與雪崩區3相同類型的 半導體材料組成。阻擋區24不接觸第一電極2。在圖151中，電介質層19被設置在圖15H中的調節器6的外圍周圍 并且與其接觸。電介質層19還完全接觸并且覆蓋與雪崩區3相對的阻擋 層24。第一電極2只接觸調節器6。在圖15J中，在圖15I中的第一電極2橫向延伸至接觸并且覆蓋調節 器6和阻擋層24。在圖15K中，第三電極50代替圖15D中的第一電極2的一部分，其 間具有間隙。第一電極2接觸調節器6。第三電極50接觸電介質層19。在圖15L中，第三電極50代替圖15J中的第一電極2的一部分，其 間具有間隙。第一電極2接觸調節器6。第三電極50接觸電介質層19。在圖15M中，積分器5包含在其中存在調節器6以接觸在調節器6 外圍周圍的積分器5的孔洞。調節器6現在存在于襯底7上。第一電極2只 接觸調節器6。在圖15N中，電介質層19被設置在圖15M中的調節器6的外圍周圍 并且與其接觸，所述調節器6延伸到積分器5以外。第一電極2橫向延伸 至現在接觸并且覆蓋調節器6和電介質層19。在圖150中，第一電極2只覆蓋并且接觸圖15N中的調節器6。 圖16和18-27涉及所述說明性裝置的具體實施方案。 現在參考圖16，顯示并描述橫向雪崩放大結構l，所述橫向雪崩放大 結構1包含透明電極105、 p.-Si層110、 Si02層107、 p'-Si層100、 n+-Si 區102、 p-Si區103、 ？+-81層91(襯底)以及電極106。圖17顯示了橫向雪 崩放大結構1的功能組件。除電極105， 106以外，在圖16中標識的組件可以由一種或多種半導 體材料組成，所述半導體材料的一個實例是具有獲得需要的電性能的摻雜 類型和濃度的Si。 &02層107可以由其它相當的材料組成。優選透明電極105和p—-Si層110的直徑為幾個jim以將其中的光吸收 降至最低。透明電極105和p'-Si層110可以由具有比硅更寬的帶隙的半導 體組成，所述半導體的一個實例為未摻雜的ZnO。將n+-Si區102(積分器)制造成具有盡可能小的直徑。電極106可以由實例包括Al、 Ni、 NiCr、 Mo等的金屬組成或者由實例包括ITO或Al摻雜的ZnO的透明導電材料 組成。這種實施方案的ON和OFF切換與圖8A-8C中的裝置幾乎相同，不 同之處在于閾值放大器IO具有橫向取向，并且不以線性方式設置閾值放 大器10、計量器11、積分器12和調節器13。優選p-Si區103具有比p.-Si層100更高的摻雜濃度。雪崩倍增只發 生在p-Si區103中的結的邊緣，并且圖16B中的傳輸器9和閾值放大器 10在平行p"-Si層91的橫向上取向。因此，通過閾值放大器IO有效地聚 集在p:Si層100的頂部產生的載流子。在功能性方案中的其它元件如前 所述地工作。優選p-Si區103具有典型為lpm的寬度以及典型為1Q-cm的電阻率 的摻雜水平，使得橫向場分量離開該區域(在橫向上充足-穿過)，并且沿著 Si-Si02界面穿透p:Si層100，從而聚集信號載流子并且將它們傳輸到p-Si 區103(閾值放大器)中。在一些實施方案中，p-Si區103可以由與p'-Si層 100中相同的摻雜組成；然而，優選11+-81區102(積分器)是薄的，典型地 小于0.4pm。通過邊緣擊穿效應提供橫向的雪崩。在其它實施方案中，p-Si 區103可以在不是充足-穿過(rich-though)的情況下使用，并且具有等于裝 置直徑的直徑，使其將Si02層107與p.-Si層100完全分開。在此所述的橫向裝置提供下至近UV的短波長應用的高靈敏度以及上 至700-800nm的較長波長的應用的高聚集效率。因此，這種裝置的幾何因 子相當接近單位值，所述幾何因子表示放大的光載流子除以產生的光載流 子的總數。現在參考圖18，顯示并且描述橫向雪崩放大結構1，所述橫向雪崩放 大結構1包含一對透明電極105、 S"N4層93(絕緣體)、n'InP層110、 p+InP 區102、 n InP層100、 n InGaAsP層140 (緩沖器)、n InGaAs層150(吸收 器)、nlnP層160(外延的)以及n+InP層90(襯底，取向[IOO])。層具有與上 述實施方案相反的摻雜類型和極性。LiGaAsP的使用不影響裝置的整個功能性方案(調節器-積分器-計量 器-放大器)。需要的波長由吸收層帶隙以及具有1.06-1.6 pm的范圍的寬度限定。組成放大器和襯底的寬帶材料(InP)對于這種波長是透明的。將放大器與吸收器分開允許增加的量子效率，因為放大器和襯底都沒有封閉吸收器與光隔開。絕緣體或SisN4層93代替上述SiCb層107，因為它提供與 InGaAs-InP層匹配的更好性能。在吸收器和n InP層100之間的另外的緩 沖器改善它們的異質勢壘(heterobarrier)性能，特別是它們的頻率響應。透 明的電極105可以由ITO或Al摻雜的ZnO組成。可以從任何側照射該 裝置，并通過本領域中熟悉的方法增加抗反射涂層。p+InP區102以積分器的形式工作，使其與相鄰的nlnP層100的界面 起計量器的作用。n-InP層110是調節器，該調節器負責延遲積分器放電(足 以將閾值放大器關閉)以及通過從中除去累積電荷使閾值放大器返回初始 狀態。雪崩區或閾值放大器對應nlnP層100。通過本領域中熟悉的方法制得n InP層100、 n InGaAsP層104和n InGaAs層150的寬度和摻雜濃度。場強度對于nlnP層100內的雪崩倍增 是足夠的，并且足以導致場尾部，該場尾部在吸收器(absorber)內足夠低以 防止隧道效應以及雪崩電流。場尾部將產生的光載流子由吸收器聚集到放 大器中，從而允許吸收器完全耗盡。吸收器寬度對于在需要的波長下的有 效光吸收是足夠的。在一些實施方案中，可以將吸收器制造成沒有來自n InP層100的場穿透，而具有變化的帶隙，所述帶隙允許光載流子到達耗 盡的nlnP層100，同時避免在吸收器中的隧道電流。現在參考圖19，顯示并且描述橫向雪崩放大結構1，所述橫向雪崩放 大結構l具有沿著裝置的一側對齊的透明電極150和電極106。該裝置是 圖16中的裝置的一個備選實施方案，其中環電極106穿過Si02層107， 并且附著到埋入？81層100中的？+-8〖區104。而且，如圖19中所示，使 用Si02層107代替圖16中的電極106。電極106可以由金屬或透明導電 材料組成。P+-Si區104阻擋電子從電極106注入^-81層100中。p+-Si區 104的摻雜深度小，典型為0.3pm。 p+-Si區104的寬度被最小化，并且優 選延伸至稍稍超出電極106的邊緣。在n+—Si區102和p+-Si區104之間的 距離應該是足夠的，使來自p-Si區103的橫向場分量變小，并且在p、Si 區104內不導致隧道電流。這種裝置的功能如在上面對圖16所述。現在參考圖20，顯示并且描述具有三個電極的橫向雪崩放大結構1。該裝置是圖16中的裝置的一個備選實施方案，其中環形電極117被設置在透明電極105周圍，并且接觸Si02層107。電極117由導電材料組成， 透明導電材料的實例在上面提供。電極117允許額外地調節裝置特性，包括但不限于譜靈敏度、對不同波長的響應時間，并且補償保護性氧化物中的固定電荷。將DC電壓以允許裝置的最優化的方式施加到電極117上。 保護性Si02層107應該足夠厚，典型為0.7pm，以防止在p或p'層IOO和 p-Si層103內的雪崩過程，所述雪崩過程是由來自電極117的垂直電場分 量導致的。這種裝置的功能是如上面對圖16所描述的。現在參考圖21，顯示并且描述橫向雪崩放大結構1，所述橫向雪崩放 大結構1具有沿著裝置的一側對齊的單電極。該裝置是圖16中的裝置的 一個備選實施方案，其中透明電極105完全覆蓋SiO2層107的頂部表面。 這種實施方案主要優點在于耗盡了 p.-Si層100的更大體積，從而改善光 載流子的聚集以及裝置的響應時間。保護性Si02層107應該足夠厚，典型 為0.7inm，以防止在p或p--Si層100和p-Si層103內的雪崩過程，所述 雪崩過程是由來自電極105的垂直電場分量導致的。這種裝置的功能是如 上面對圖16所描述的。現在參考圖22，顯示并且描述具有阻擋層的橫向雪崩放大結構1。該 裝置是圖16中的裝置的一個備選實施方案，其中阻擋層是被設置在Si02 層107和p或p.-Si層100之間的n-Si層120。 n-Si層120優選是薄的，典 型為0.3)Lim，具有與p或p—-Si層100的摻雜類型相反的摻雜類型。p或p—-Si 層100形成在Si-Si02界面下的埋入通道以改善光載流子沿著界面的傳輸。 通過本領域中熟悉的方法制造阻擋層。這種裝置的一個優點包括提高的穩 定性，原因是雪崩過程離開界面，從而抑制熱載流子注入Si02中。圖23 顯示了這種設計的一個備選實施方案，其中透明電極105完全覆蓋p—-Si 層110和Si02層107。圖24顯示了這種設計的一個備選實施方案，其中 透明電極105單獨接觸p—Si層10，并且第三電極117單獨接觸SiCb層 107。這些裝置的功能是如上面對圖16所描述的。現在參考圖25，顯示并且描述橫向雪崩放大結構1，所述雪崩放大結 構1具有空穴積分器和沿著裝置的一側的單電極。該裝置與圖21中的裝 置不同在于，現在透明電極105填充p—-Si層llO所占據的體積，并且將i-Si層113設置在p或p-Si層100和p+-Si層91(襯底)之間。p-Si層103比 前述實施方案更寬。現在參考圖26，顯示并且描述橫向雪崩放大結構l，所述雪崩放大結 構1具有阻擋層、空穴積分器和沿著裝置一側的兩個電極。該裝置與圖24 中的裝置不同，其中現在透明電極105填充p—-Si層110(電子積分器)所占 據的體積，p-Si層103更寬，并且將i-Si層113(空穴調節器)和p"-Si層130 設置在p-Si層100和p+-Si層91之間。圖27去除了圖26中所示的電極 117和n-Si層120。單通道裝置-可變計量器，標準偏壓各種材料適用于圖28A-28B中的層和區域。例如，每一層可以由實例 包括Si、 SiC、 GaN、 GaAs和GaP的相同或不同半導體材料組成，所述半 導體材料被摻雜以提供需要的電性能。在其它實施方案中，調節器6可以 由帶隙比其它層的帶隙更寬的材料組成。在另外的其它實施方案中，信號 傳輸層27可以由帶隙比其它層的帶隙更窄的材料組成。在另外的其它實 施方案中，第一電極2和/或第二電極8可以由導電金屬或透光并且導電的 材料組成，其實例包括但不限于透明的ITO和Al摻雜的ZnO。而且，層 和區域可以包含被設置為形成疊層結構的兩個或更多個層，所述疊層結構 具有或不具有內含物或者具有另外的其它非摻雜和摻雜的半導體材料的 區域。層和裝置可以包括平面和非平面的形狀。同樣，截面圖可以顯示平面的和/或徑向的范圍的結構。Si02層可以由其它相當的材料組成。現在參考圖28A，顯示并且描述雪崩放大結構1，所述雪崩放大結構 l具有正常的雪崩方向，基于MIS而具有漏極和兩個電極，包含接觸電介 質層19的第三電極50、接觸調節器6的第一電極2、雪崩區3、接觸雪崩 區3和調節器6的襯底以及接觸襯底7的第二電極8。電介質層19接觸雪 崩區3和調節器6。雪崩區3接觸調節器6的側向外圍。當在第一電極2 和第二電極8之間施加電勢時，將計量器4和積分器5設置在電介質層19 和雪崩區3之間的界面，并且在雪崩區3中產生蓋革(過擊穿)雪崩模式， 并且第三電極50具有施加的電壓，在此電壓下儲存在積分器5上的電荷 通過調節器6排放第一電極2。圖28B顯示了圖28A的裝置，其中將積分器5設置在電介質層19和雪崩區3之間的界面，并且將計量器4設置在雪崩區3和襯底7之間。圖29和31涉及該說明性裝置的具體實施方案。現在參考圖29，顯示并且描述具有正常的雪崩方向，基于MIS而具 有漏極以及電極的放大結構1。該裝置包含透明電極105、電極117、 Si02 層107、 i-Si層110、 p-Si層100、 p-Si層104(外延的)、p+-Si層120(襯底) 以及電極106。盡管該裝置以蓋革模式工作，但是它不同于之前的上述實 施例。示例性電阻率為1 Q-cm的p-Si層100與Si02層107和電極105 —起 作為完全耗盡的MIS結構工作，原因是少數載流子將電流從p-Si層100 沿著Si-Si02界面排放i-Si層110，然后到電極117。電極105的電壓應該 足夠高以在p-Si層100中提供蓋革模式的雪崩。被施加到電極117的電壓 應該足以將電流從P-Si層100排放i-Si層110，但是小于i-Si層IIO中的 雪崩擊穿所必需的。即使由于其更低的摻雜具有高于p-Si層100的電勢， 在p—-Si層104內也沒有雪崩。在電極117和i-Si層110之間的接觸優選是 非注入的，因此包括阻擋電子注入的肖特基勢壘。在一些實施方案中，可 以將薄的n+層沿著i-Si層110的頂部設置以阻擋電子注入。透明電極105 可以由具有高電導率的ITO或ZNO組成。電極106和107可以由金屬或 透明導電材料組成。在Si02層107中的氧化物厚度小，典型為0.1iim，以 提供在p-Si層100內的有效雪崩。現在參考圖30A-30C，圖30A顯示了與圖29的結構對應的材料層序 列，并且圖30B-30C描述了在放大器的各種工作狀態過程中與圖30A中 所示的材料層結構對應的能帶圖。圖30D以圖解形式描述了在圖29中所 示的雪崩放大結構的功能組件。在初始狀態中，當將正電壓施加到透明電極105上時，在p-Si層100 內的電場強度對于碰撞電離是足夠的。正常的工作電壓將超過擊穿電壓， 從而引發蓋革模式。在放大過程中，如圖28C中通過自由載流子或電子62所示，雪崩倍 增發生在p-Si層100內的Si-Si02界面附近。由于雪崩倍增，該過程是自 維持的，其中具有電流密度的電流暗條(filament)隨時間成指數增長。暗條電子累積在Si-Si02界面。這些電子的遷移率不高，因此它們是局部累積 的，從而屏蔽在暗條區域內的電場，并且終止雪崩過程。Si-Si02界面以具 有時間常數的HF積分器形式工作，所述時間常數由沿著界面傳播的電子 的遷移率限定。如圖30D中所示，在放大之后，最初的電子62產生校準的電荷包或 第一包。這種包在界面的出現由氧化物電容產生，并且對應在電極105(HF 讀出器)處的電荷包，在所述電極105它可以被檢測。在電流暗條終止之后，得到的電荷沿著界面流動到LF積分器，并且 將其中產生電流暗條的區域恢復到初始狀態。界面導線以及HF調節器從 HF積分器除去電荷，延遲足以將閾值放大器變為OFF。 Si-Si02界面起計 量器的作用，因為它受到p-Si層100內的場限定。每一個電流暗條占據相當小的面積，典型地小于幾平方微米。因此， 幾個暗條可能存在于p-Si層100內，同時產生幾個電荷包。如此，如果 p-Si層100與由暗條產生的電荷點相比足夠大，則該裝置以多通道光子計 數器的形式工作。現在參考圖31，顯示并且描述放大結構l，該放大結構l具有正常的 雪崩方向，基于MIS而具有漏極和電極。在本實施方案中，與圖29相比， 將n+-Si層120直接設置在i-Si層110和p'-Si層104中間。示例性電阻率為1 Q-cm的p-Si層100以及Si02層107以完全耗盡的 MIS結構的形式工作，原因是少數載流子將電流從p-Si層100沿著Si-Si02 界面排放到p+-Si層120。在p-Si層100中沒有雪崩倍增的情況下，由于 通過LF調節器(i-Si層110)的放電電流(空穴64和電子62)，可忽略充電到 LF積分器(p"-Si層120)上的電流，并且LF積分器處于穩態。LF積分器的 充電-放電機理與對圖9所描述的相同。&02層107的氧化物厚度小，典 型為0.1pm，以提供p-Si層100內的有效雪崩。現在參考圖32A-32C，圖32A顯示了與圖31的結構對應的材料層序 列，并且圖32B-32C描述了在放大器的各種工作狀態過程中與圖32A中 所示的材料層結構對應的能帶圖。圖32D以圖解形式描述了在圖31中所 示的雪崩放大結構的功能組件。在初始狀態中，當將正電壓施加到透明電極105上時，p-Si層100內的電場強度對于碰撞電離是足夠的。正常的工作電壓將超過擊穿電壓，從 而引發蓋革模式。在放大過程中，如圖32C中通過自由載流子或電子62所示，雪崩倍 增發生在p-Si層100內的Si-Si02界面附近。由于雪崩倍增，該過程是自 維持的，其中具有電流密度的電流暗條隨時間成指數增長。暗條電子累積 在Si-Si02界面。這些電子的遷移率不高，因此它們是局部累積的，從而 屏蔽在暗條區域內的電場，并且終止雪崩過程。Si-Si02界面以具有時間常 數的HF積分器形式工作，所述時間常數由沿著界面傳播的電子的遷移率 限定。如圖32D中所示，在放大之后，最初的電子產生校準的電荷包或第一 包。這種包在界面的出現由氧化物電容產生，并且對應在電極105(HF讀 出器)的電荷包，在所述電極105它可以被檢測。在電流暗條終止之后，得到的電荷沿著界面流動到11+-81層102(LF積 分器)，并且將其中產生電流暗條的區域恢復到初始狀態。界面導線以及 HF調節器從HF積分器除去電荷，延遲足以將閾值放大器關閉。Si-Si02 界面起計量器的作用，因為它受到p-Si層100內的場限定。每一個電流暗條占據相當小的面積，典型地小于幾平方微米。因此， 幾個暗條可能存在于p-Si層100內，同時產生幾個第一電荷包。LF積分 器的電容和放電電流應該是足夠的，使得在聚集第一電荷包之后，LF積 分器不改變其狀態；然而，LF積分器的積分-弛豫時間將高于HF積分器 的積分-弛豫時間。通過施加到電極117上的電壓控制積分時間。可以在積 分時間內聚集幾個電荷包，并且在p-Si層100中降低場，原因是沒有將電 荷從其上除去。因此，還如圖32D中所示，LF積分器累積由預定數量的 第一包組成的第二電荷包。如圖32D中所示，幾條放大通道可以同時存在于p-Si層100內，這 取決于自由載流子的數量，每個自由載流子在其碰撞處引發倍增過程。在 圖32D中顯示了三個這樣的過程或虛擬的通道。每一個虛擬的通道具有相 同的功能元件組，包括讀出器9、閾值放大器10、計量器11、 HF(高頻) 積分器12、 HF調節器13以及HF讀出器14。將在虛擬通道內的所有HF 調節器連接到單個LF(低頻)積分器21，所述LF積分器21在將第一包通51過HF調節器13排出之后累積它們。形成第二校準包的分立放大器的功能性方案的這種第二級包含全部示于圖32D中的LF積分器21、 LF調節器 22、 LF讀出器23。非常明顯的是所述的裝置允許任何人在電極117上檢測幾個光子脈沖 作為數字或校準信號，同時容易區別通過在相同的電極117上的熱產生所 導致的非信號脈沖。在電極117的LF積分時間的電壓調節允許裝置檢測 具有PET適用性的光的脈沖長度。而且，通過讀取具有光子計數器適用性 的在電極105的信號，可以以高的時間分辨率計算單光子作用。多通道裝置可以將上述單通道雪崩放大裝置集成為多種多通道裝置，從而為如在 USPN 6,885,827中所述的具有分立放大的光電檢測器提供全部功能。下列 實施例說明了示例性陣列，并且不意在以任何方式限制。因此，本發明包 含所有的雪崩放大裝置，其中在半導體疊層材料內的兩層之間的界面單獨 或組合地起計量器、積分器或者計量器和積分器的作用，所述半導體疊層 材料被設置在兩個或更多個電極之間。現在參考圖33，顯示并且描述具有橫向的雪崩方向和空穴積分器的雪 崩放大結構l。該裝置包含第一電極2、接觸層25、雪崩區3、信號傳輸 層27、電介質層19、積分器5、調節器6、襯底7和第二電極8。現在參考圖34，顯示了圖33中的結構，所述結構被設置為形成由三 個雪崩放大結構l組成的陣列。對本發明來說，陣列指以幾何圖案形式設 置的兩個或更多個雪崩放大結構1。優選將雪崩放大結構1的鄰接對以小 于0.5nm的間隙分開。在積分器5之間的間隙可以填充有還組成雪崩區的 半導體材料、導電類型與積分器5相同的輕摻雜半導體材料、或電介質材 料。優選雪崩放大結構1在幾何形狀和尺寸上是相同的。雪崩放大結構1 可以包含各種規則和任意的形狀，包括三角形、矩形、正方形、多邊形和 圓形。在一些實施方案中，可以將第三電極50增加到如上所述的結構中。 第一電極2、第二電極8和第三電極50以及襯底7可以由獨立的單個連續 片組成，所述連續片上附著雪崩放大結構1內的其它層。第一電極、第二 電極和第三電極可以由透明材料(transparent)組成。在其它實施方案中，可以將電介質層19、阻擋層24或導電區25加入結構中以提高如上所述的雪崩放大結構1的性能。現在參考圖35，顯示并且描述在圖34中的多通道裝置的示意圖，所 述多通道裝置包含圖33中的單通道元件。該裝置包含三個透明電極105、 n十匿Si區102、 p-Si層103、 p+區130、 p-Si層100、 i-Si層113、 p+-Si層90 以及電極106。在硅襯底上制造該裝置，所述硅襯底具有電阻率為0.01Q-cm 的摻雜，取向[100]以及350)im的厚度。i-Si層113是未摻雜的外延硅，所 述外延硅具有使得p+-Si區130和p+-Si層90之間的距離為2pm這樣的寬 度。p+-Si區130包含p+型摻雜的第一外延層，并且在尺寸上大小合適以 使其是小的。第二外延層或p-Si層100具有使得n+-Si區102和p+-Si區 130之間的距離為5pm這樣的寬度。p-Si層100層是以7-10 Q-cm的電阻 進行p-慘雜的。第三p-摻雜的外延層具有1Q-cm的電阻以及2pm的寬度。 通過使用n-型雜質的擴散制造n+-Si層102。將所述頂部表面氧化達0.5pm 的厚度，然后沉積并且蝕刻(通過光刻)ITO以形成電極105。電極105具 有2pm的直徑，并且全部通過透明導體105相互連接以及與金屬接觸板連 接。通過本領域中熟悉的方法制造金屬電極106。通道可以被填充以形成各種圖案和形狀。在通道之間的距離典型為 10-14^1111。該距離可以在8- 30pm的范圍內以使在需要的波長的量子效率、 時間分辨率最優化，并且將通道相互作用或串擾(cross-talk)降至最低。在 更大的距離的情況下實現更低的相互作用；然而，更大的距離降低量子效 率。因此，最佳距離取決于裝置的最終用途。圖36顯示了多通道裝置的一個示例性俯視圖，其中將7個透明電極 105設置在具有透明蓋150的裝置周圍。從裝置至接觸板151的一對線152 被顯示為將信號連通到記錄裝置。圖37顯示了具有單個透明蓋150的裝 置。現在參考圖38A-38E，顯示并且描述幾個另外的示例性多通道裝置。 在圖38A中，多通道裝置由三個如上面圖7A中提供的具有正常的雪 崩方向的雪崩放大結構1組成。雪崩放大結構1包含以下述順序設置的第 一電極2、調節器6、積分器5、計量器4、雪崩區3、襯底7以及第二電 極8。將各個積分器5和計量器4以不小于0.5pm的距離分開。在積分器5之間的空間包含電介質層19，所述電介質層19由組成雪崩區3的優選輕摻雜的半導體材料組成。積分器5和計量器4優選是相互等距離的，其 距離不小于0.5pm。而且，可以將積分器5和計量器4成形為規則的多邊 形、正方形、六邊形或圓形的形狀。可以將第一電極2設置在多通道裝置 的整個工作區之上。第一電極可以是接觸在所有單獨的積分器5之上的調 節器6的網狀電極。在圖38B中，多通道裝置由三個如圖15D中提供的具有橫向雪崩方 向的雪崩放大結構1組成。雪崩放大結構1包含以下述順序設置的第一電 極2、調節器6、積分器5、襯底7和第二電極8。將積分器5沿著雪崩區 3設置在孔洞內，使得兩個元件之間的接觸提供環形計量器4。第一電極2、 第二電極8、積分器5和調節器6以不小于0.5pm的距離相互分開。在積 分器5之間的空間包含電介質層19，所述電介質層19由組成雪崩區3的 優選輕摻雜的半導體材料組成。積分器5和計量器4優選是相互等距離的， 其距離不小于0.5 pm。第一電極2可以包含覆蓋結構的整個工作區的固體 電極。同樣，第一電極2可以由提供與在各個積分器5之上的調節器6的 電接觸的網狀電極組成。可以將調節器6獨占地設置在第一電極2的網狀 結構之下。積分器5彼此可以是等距離隔開的，其距離不小于0.5pm。可 以將積分器5和計量器4成形為規則的多邊形、正方形、六邊形或圓形的 形狀。在圖38C中，多通道裝置由三個如上面圖15C中提供的具有橫向雪崩 方向的雪崩放大結構1組成。雪崩放大結構1包含以下述順序設置的第一 電極2、調節器6、積分器5、雪崩區3和襯底7。第二電極8是與襯底7 相反地接觸雪崩區3的環形結構。將計量器4垂直設置在積分器5和雪崩 區3之間使得兩個元件之間的接觸區提供環形計量器4。第二電極8是網 狀型元件以避免其與調節器6和積分器5的電接觸。雪崩區3和第二電極 8被電介質層19覆蓋使得在每一個雪崩放大結構1內電接觸調節器6的第 一電極2與第二電極8、雪崩區3和積分器5沒有電接觸。在圖38D中，多通道裝置由三個具有橫向雪崩方向的雪崩放大結構1 組成。雪崩放大結構1包含以下述順序設置的第一電極2、調節器6、積 分器5、襯底7和第二電極8。將計量器4垂直設置在積分器5和雪崩區3之間，所述雪崩區3環繞積分器5使得兩個元件之間的接觸區提供環形計量器4。將電介質層19設置在第三電極50和雪崩區3之間。第二電介質 層19也被設置在第三電極50之上，并且接觸調節器6。電介質層19使第 一電極2和第三電極50與組成結構的元件電絕緣。第三電極50不接觸調 節器6。積分器5和調節器6是以不小于0.5阿的距離相互等距離分開的。在圖38E中，多通道裝置由三個如圖1中提供的具有正常的雪崩方向 的雪崩放大結構1組成。雪崩放大結構1包含以下述順序設置的第一電極 2、雪崩區3、被設置在雪崩區3和積分器5的界面之間的計量器4、積分 器5、調節器6、襯底7和第二電極8。第一電極2、第二電極8、積分器 5和調節器6以不小于0.5pm的距離相互分開。在積分器5之間的空間包 含電介質層19，所述電介質層19由組成雪崩區3的優選輕摻雜的半導體 材料組成。積分器5和計量器4優選是相互等距離的，其距離不小于0.5 ^m。第一電極2可以包含覆蓋結構的整個工作區的固體電極。同樣，第一 電極2可以由網狀電極組成，所述網狀電極提供與各個積分器5之上的調 節器6的電接觸。可以將調節器6獨占地設置在第一電極2的網狀結構之 下。積分器5彼此可以是等距離隔開的，其距離不小于0.5pm。可以將積 分器5和計量器4成形為規則的多邊形、正方形、六邊形或圓形的形狀。上述描述表明對于本發明有很大程度的靈活性。盡管參考其某些優選 方案相當詳細地描述了本發明，但是其它方案是可以的。因此，后附權利 要求書的精神和范圍應該不限于在此包含的優選方案的描述。工業應用如從上述說明明顯看出，所述的發明包括根據在此所述的原理工作的 各種智能放大雪崩結構。該裝置適于作為能夠記錄并且計算單獨的電子和 光子的獨立的高度靈敏的儀器。該裝置也可按形成陣列的構造來應用。因此，預期所述的發明將用于光電檢測器、電子放大器、化學和生物 傳感器以及具有芯片上的實驗室的應用的化學和生物芯片中。這些結構對 于國防關鍵性裝置直接具有適用性。
權利要求
1.一種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a)重摻雜襯底；(b)疊層的半導體結構，其包含(i)具有與所述襯底相反的導電性的雪崩區；(ii)積分器層，所述積分器層累積信號電荷，由具有與所述襯底相同的導電性的重摻雜材料組成，所述積分器層沿著起計量器的作用的界面接觸所述雪崩區以調整雪崩過程；和(iii)調節器層，所述調節器層排空所述積分器，并且控制所述計量器，所述調節器層與所述雪崩區相對地接觸所述積分器層，所述調節器層接觸所述襯底；(c)第一電極，所述第一電極與所述積分器相對地連通到所述雪崩區；以及(d)第二電極，所述第二電極與所述調節器層相對地連通到所述襯底。
2. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料組成。
3. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在所 述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調節 器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二種 載流子從所述襯底的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
4. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述調節器在垂直調節器層 的方向上具有高阻抗。
5. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由低慘雜材料組成。
6. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、所 述積分器層和所述調節器層由相同的半導體材料組成。
7. 權利要求1所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區和所 述積分器層由相同的半導體材料組成，并且所述調節器層由帶隙比所述雪崩區、所述積分器層和所述襯底的帶隙更寬的材料組成。
8. 權利要求l所述的雪崩放大結構，還包含(e) 絕緣體，所述絕緣體具有允許所述第一電極接觸所述雪崩區的至少 一個開口。
9. 權利要求8所述的雪崩放大結構，還包含(f) 重摻雜區，所述重摻雜區具有與所述雪崩區相同的導電性，被設置 在每個所述開口處所述雪崩區和所述絕緣體之間的所述雪崩區內，以防止 在所述雪崩區和所述第一 電極之間的直接電接觸。
10. 權利要求9所述的雪崩放大結構，還包含(g) 第二調節器，所述第二調節器由在所述第一電極和所述重摻雜區之間的高阻抗半導體材料組成，并且存在于所述開口內；第二積分器，所述 第二積分器形成在所述雪崩區和所述第二調節器之間的界面處。
11. 權利要求9所述的雪崩放大結構，還包含(g)埋層，所述埋層由具有與所述襯底相同的導電性的半導體材料組成， 并且鄰近所述重摻雜區。
12. 權利要求9所述的雪崩放大結構，還包含(g)在橫向上具有較低空穴遷移率的半導體層，所述半導體層由具有與 所述襯底相反的導電性的摻雜材料組成，并且是沿著鄰近所述重摻雜區的 所述雪崩區設置的。
13. 權利要求l所述的雪崩放大結構，還包含(e)信號傳輸層，所述信號傳輸層由導電性與所述雪崩區的導電性類似 的低摻雜半導體材料組成，并且被設置在所述第一電極和所述雪崩區之 間，并且與它們接觸，所述信號傳輸層產生多個自由電荷載流子，并且將 所述自由電荷載流子傳輸到所述雪崩區中。
14. 權利要求13所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述傳輸層由相同的半導體材料組成。
15. 權利要求13所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述傳輸層由Si組成。
16. 權利要求13所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述傳輸層由SiC、 GaN、 GaAs或GaP組成。
17. 權利要求13所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層和所述調節器層由相同的半導體材料組成，并且所述信號傳 輸層由帶隙比所述襯底、所述雪崩區、所述積分器層和所述調節器層的帶 隙更窄的材料組成。
18. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 重摻雜襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 調節器層；以及(ii) 導電性與所述襯底的導電性相反的雪崩區，所述雪崩區沿著起 積分器的作用的第一界面接觸所述調節器層，所述雪崩區沿著起計量器 的作用以調整雪崩過程的第二界面與所述調節器層相對地接觸所述襯 底，所述積分器累積信號電荷，所述調節器排空所述積分器并且控制所述計量器；(c) 第一電極，所述第一電極與所述雪崩區相對地連通到所述調節器層； 以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述襯底相對地連通到所述襯底。
19. 權利要求18所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
20. 權利要求18所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述襯底的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
21. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 重摻雜襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 接觸所述襯底的雪崩區；(ii) 累積信號電荷的積分器層，所述積分器層由導電性與所述襯底 的導電性相反的重摻雜材料組成，所述積分器層沿著起計量器的作用的 界面與所述襯底相對地接觸所述雪崩區以調整雪崩過程；以及(iii)調節器層，所述調節器層排空所述積分器層并且控制所述計量 器，所述調節器層與所述雪崩區相對地接觸所述積分器層； (C)第一電極，所述第一電極與所述積分器層相對地連通到所述調節器層；以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述雪崩區相對地連通到所述襯底。
22. 權利要求21所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
23. 權利要求21所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
24. 權利要求21所述的雪崩放大結構，還包含(e) 絕緣體層，所述絕緣體層被設置在所述積分器的一部分上，所述調 節器被設置在所述積分器的一部分上。
25. 權利要求24所述的雪崩放大結構，還包含(f) 保護環，所述保護環在所述雪崩區內，并且接觸所述絕緣體層，所 述保護環由具有與所述積分器相同的導電類型的低摻雜材料組成，所述保 護環電接觸所述積分器的外圍。
26. 權利要求24所述的雪崩放大結構，還包含(f)半導體材料，所述半導體材料具有低摻雜并且具有與所述雪崩區相 同的導電類型，在一側上位于所述雪崩區和所述積分器之間，在另一側上 位于所述雪崩區和所述襯底之間，使得所述調節器只電接觸所述積分器， 所述雪崩區鄰近所述積分器層以避免與沿著所述積分器的邊緣接觸。
27. 權利要求21所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、所述積分器層和所述調節器層由相同的半導體材料組成。
28. 權利要求21所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區和 所述積分器層由相同的半導體材料組成，并且所述調節器層由帶隙比所述 雪崩區、所述積分器層和所述襯底的帶隙更寬的材料組成。
29. 權利要求21所述的雪崩放大結構，還包含(e)信號傳輸層，所述信號傳輸層由導電性與所述雪崩區的導電性類似的低摻雜半導體材料組成，并且被設置在所述第二電極和所述雪崩區之 間，并且與它們接觸，所述信號傳輸層產生多個自由電荷載流子，并且將 所述自由電荷載流子傳輸到所述雪崩區中。
30. 權利要求29所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述信號傳輸層由相同的半導體材料組 成。
31. 權利要求29所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述傳輸層由Si組成。
32. 權利要求29所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述傳輸層由SiC、 GaN、 GaAs或GaP組成。
33. 權利要求29所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層和所述調節器層由相同的半導體材料組成，并且所述信號傳 輸層由帶隙比所述襯底、所述雪崩區、所述積分器層和所述調節器層的帶 隙更窄的材料組成。
34. 權利要求29所述的雪崩放大結構，其中所述積分器層具有平行所 述襯底的平面的有限的電導。
35. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 重摻雜襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 接觸所述襯底的調節器；(ii) 積分器，所述積分器由具有與所述襯底相同類型的導電性的重 摻雜的半導體材料組成，所述積分器累積信號電荷，所述積分器接觸所 述調節器以從所述積分器排出所述電荷；(iii) 雪崩區，所述雪崩區由具有與所述襯底相同類型的導電性的材 料組成，所述雪崩區接觸所述積分器；以及(iv) 計量器，所述計量器由重摻雜的半導體類型組成，并且其導電 性與所述襯底相反，所述計量器接觸所述雪崩區，所述計量器調整雪崩 過程，所述調節器排空所述積分器，并且控制所述計量器；(c) 與所述計量器連通的第一電極；以及(d) 與所述襯底連通的第二電極。
36. 權利要求35所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
37. 權利要求35所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述襯底的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
38. 權利要求35所述的雪崩放大結構，所述雪崩放大結構還包含(e) 絕緣體層，所述絕緣體層具有用于在所述第一電極和所述計量器之 間的電接觸的至少一個開口 。
39. 權利要求38所述的雪崩放大結構，還包含(f) 保護環，所述保護環在所述雪崩區內，并且接觸所述絕緣體層，所 述保護環由具有與所述計量器相同類型的導電性的低摻雜材料組成，所述 保護環接觸所述計量器的外圍。
40. 權利要求38所述的雪崩放大結構，還包含(f)半導體層，所述半導體層由具有與所述雪崩區相同的導電性的低摻 雜材料組成，并且被設置在一側位于所述雪崩區和計量器之間另一側位于 所述雪崩區和所述積分器之間。
41. 一種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 重摻雜襯底，其具有與所述襯底相同類型的導電性；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 調節器；(ii) 積分器，所述積分器由具有與所述襯底相同類型的導電性的重 摻雜半導體材料組成，所述積分器累積信號電荷，所述積分器接觸所述 調節器以從所述積分器排出所述電荷，并且控制所述計量器；(iii) 雪崩區，所述雪崩區由具有與所述襯底相同類型的導電性的材 料組成，所述雪崩區接觸所述積分器；以及(iv) 計量器，所述計量器由重摻雜的半導體類型組成，并且導電性 與所述襯底相反，所述計量器被設置在所述雪崩區內，所述計量器調整 雪崩過程；(C)與所述計量器連通的第一電極；以及 (d)與所述襯底連通的第二電極。
42. 權利要求41所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料組成。
43. 權利要求41所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述襯底的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
44. 一種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含 O)重摻雜襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 接觸所述襯底的雪崩區；以及(ii) 調節器層，所述調節器層沿著界面與所述襯底相對地接觸所述 雪崩區，所述界面起計量器的作用以調整雪崩過程，并且起積分器的作 用以累積信號電荷，所述雪崩區和所述調節器層排空所述積分器，并且 控制所述計量器； '(c) 第一電極，所述第一電極與所述雪崩區相對地連通到所述調節器層； 以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述雪崩區相對地連通到所述襯底。
45. 權利要求44所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
46. 權利要求44所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
47. 權利要求44所述的雪崩放大結構，其中所述界面具有平行所述襯 底的平面的有限的電導。
48. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含 O)襯底；(b)疊層的半導體結構，其包含(i) 雪崩區；(ii) 累積信號電荷的積分器層，所述積分器層存在于所述雪崩區中 的孔腔內，并且沿著起調整雪崩過程的計量器的作用的環形界面接觸所述雪崩區，所述雪崩區和所述積分器層接觸所述襯底；以及(iii) 調節器層，所述調節器層排空所述積分器并且控制所述計量器，所述調節器層與所述襯底相對地接觸所述積分器層；(c) 第一電極，所述第一電極與所述積分器層相對地連通到所述調節器 層；以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述雪崩區和所述積分器層相對地連通 到所述襯底。
49. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
50. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
51. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述襯底是摻雜的半導體 材料。
52. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述襯底和所述雪崩區由 相同的半導體材料組成。
53. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述襯底和所述雪崩區由 具有相同類型的導電性的半導體材料組成，所述襯底是比所述雪崩區更少 地摻雜的。
54. 權利要求53所述的雪崩放大結構，其中所述雪崩區通過所述第二 電極起作用。
55. 權利要求53所述的雪崩放大結構，其中所述雪崩區通過所述第一 電極起作用。
56. 權利要求48所述的雪崩放大結構，還包含(e) 電介質層，所述電介質層被設置在所述調節器層的外圍并且與其接 觸，所述電介質層接觸所述積分器層和所述雪崩區。
57. 權利要求56所述的雪崩放大結構，其中所述第一電極還接觸所述 電介質層。
58. 權利要求56所述的雪崩放大結構，其中所述第一電極獨立地接觸 所述調節器層和所述電介質層。
59. 權利要求56所述的雪崩放大結構，其中所述調節器層還與所述積 分器層和所述雪崩區相對地接觸所述電介質層，所述第一 電極還與所述電 介質層相對地接觸所述調節器層。
60. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述調節器層和所述雪崩 區由相同的半導體材料組成，所述調節器層比所述雪崩區摻雜更少。
61. 權利要求48所述的雪崩放大結構，其中所述調節器層由具有比所 述雪崩區更寬的帶隙的半導體材料組成。
62. 權利要求48所述的雪崩放大結構，還包含(e)信號傳輸層，所述信號傳輸層由與所述雪崩區相同類型的導電性的 半導體材料組成，并且比所述雪崩區摻雜更少，所述信號傳輸層對信號響 應而產生多個自由電荷載流子，并且將所述自由電荷載流子傳輸到所述雪 崩區中，所述襯底和所述第二電極延伸到所述雪崩區以外，所述信號傳輸 層接觸所述雪崩區的外圍以及與所述第二電極相對地接觸所述襯底。
63. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述信號傳輸層和所述雪 崩區由相同的半導體材料組成。
64. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述信號傳輸層和所述襯 底由導電類型和摻雜濃度相同的相同半導體材料組成。
65. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述信號傳輸層由相同的半導體材料組 成。
66. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述信號傳輸層由Si組成。
67. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述信號傳輸層由SiC、 GaN、 GaAs或 GaP組成。
68. 權利要求62所述的雪崩放大結構，其中所述信號傳輸層由具有比所述雪崩區更窄的帶隙的半導體材料組成。
69. 權利要求48所述的雪崩放大結構，還包含(e) 接觸區，所述接觸區導電，并且被設置在所述調節器層和所述積分 器層之間；(f) 阻擋層，所述阻擋層由具有與所述雪崩區相同類型的導電性的半導 體材料組成，所述阻擋層接觸所述接觸區的外圍，所述阻擋層與所述襯底 相對地接觸所述雪崩區和所述積分器層。
70. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述阻擋層由相同的半導體材料組成。
71. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述阻擋層由Si組成。
72. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述襯底、所述雪崩區、 所述積分器層、所述調節器層和所述阻擋層由SiC、 GaN、 GaAs或GaP 組成。
73. 權利要求69所述的雪崩放大結構，還包含(g) 電介質層，所述電介質層被設置在所述調節器層的外圍并且與其接 觸，所述電介質層接觸所述阻擋層。
74. 權利要求73所述的雪崩放大結構，其中所述第一電極還覆蓋并且 接觸所述電介質層。
75. 權利要求73所述的雪崩放大結構，所述雪崩放大結構還包含(h) 接觸所述電介質層的第三電極。
76. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述阻擋層和所述雪崩區 由導電類型相同的半導體材料組成，所述阻擋層和所述雪崩區具有相同的 摻雜濃度。
77. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述阻擋層和所述雪崩區 由導電類型相同的半導體材料組成，所述阻擋層具有比所述雪崩區更低的 摻雜濃度。
78. 權利要求69所述的雪崩放大結構，其中所述阻擋層和所述雪崩區 由導電類型相反的半導體材料組成，所述阻擋層具有比所述雪崩區更低的 摻雜濃度。
79. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 雪崩區；(ii) 累積信號電荷的積分器層，所述積分器層存在于所述雪崩區中 的孔腔內，并且沿著起調整雪崩過程的計量器的作用的環形界面接觸所 述雪崩區，所述雪崩區和所述積分器層接觸所述襯底；以及(iii) 調節器層，所述調節器層排空所述積分器并且控制所述計量器， 所述調節器層與所述襯底相對地接觸所述積分器層；(c) 第一電極，所述第一電極與所述積分器層相對地連通到所述調節器 層；以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述襯底相對地連通到所述雪崩區。
80. 權利要求79所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
81. 權利要求79所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
82. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 雪崩區，其具有與所述襯底相同的導電性以及高摻雜；(ii) 積分器層，所述積分器層存在于所述雪崩區中的孔腔內，并且 沿著起調整雪崩過程的計量器的作用的環形界面接觸所述雪崩區，所述 積分器累積信號電荷；以及(iii) 調節器層，所述調節器層存在于所述所述積分器層中的孔腔內， 并且沿著環形界面接觸所述積分器層，所述調節器排空所述積分器并且 控制所述計量器；(c) 第一電極，所述第一電極與所述襯底相對地連通到所述調節器層； 以及(d) 第二電極，所述第二電極與所述雪崩區、所述積分器層和也接觸所 述襯底的所述調節器層相對地連通到所述襯底。
83. 權利要求82所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
84. 權利要求82所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
85. 權利要求82所述的雪崩放大結構，還包含(e) 電介質層，所述電介質層被設置在所述調節器層的外圍上面并且與 其接觸，所述調節器層在所述積分器層的周圍延伸，所述電介質層還與所 述襯底相對地接觸所述積分器層和所述雪崩層，所述第一電極也接觸并且 覆蓋所述電介質層。
86. 權利要求82所述的雪崩放大結構，還包含(e)阻擋層，所述阻擋層被設置在所述調節器層的外圍上面并且與其接 觸，所述調節器層在所述積分器層周圍延伸，所述阻擋層還與所述襯底相 對地接觸所述積分器層和所述雪崩層，所述阻擋層由具有與所述雪崩區相 同類型的導電性以及低摻雜的半導體材料組成。
87. —種以蓋革模式工作的雪崩放大結構，其包含(a) 襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 雪崩區；以及(ii) 調節器層，所述調節器層存在于所述雪崩區中的孔腔內，并且 沿著環形界面接觸所述雪崩區，所述雪崩區和所述調節器接觸所述襯 底；(c) 電介質層，所述電介質層與所述襯底相對地接觸所述雪崩區和所述 調節器層，在所述雪崩區和所述電介質層之間的界面起著計量器和積分器 的作用，所述積分器累積信號電荷，所述計量器調整雪崩過程，所述調節 器排空所述積分器并且控制所述計量器；(d) 第一電極，所述第一電極存在于所述電介質層內的孔腔中，并且與所述襯底相對地連通到所述調節器層；(e) 第二電極，所述第二電極與所述雪崩區和所述調節器層相對地連通 到所述襯底，并且在充電時，所述第一電極和所述第二電極在所述雪崩區 內產生蓋革雪崩模式；以及(f) 第三電極，所述第三電極與所述雪崩區相對地連通到所述電介質層， 當將所述第三電極充電時，所述第三電極通過所述調節器層向所述第一電 極排空所述積分器。
88. 權利要求87所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
89. 權利要求87所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在 所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調 節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二 種載流子從所述第一電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
90. 權利要求87所述的雪崩放大結構，其中所述襯底是重摻雜的半導 體，所述計量器被設置在所述襯底和所述雪崩區之間，所述雪崩區由具有 與所述襯底相反的導電類型的半導體組成，所述積分器被設置在所述雪崩 區和所述電介質層之間。
91. 一種以蓋革模式工作的放大雪崩結構，其包含(a) 三個電極；(b) 雪崩區，所述雪崩區由具有與所述襯底相同類型的導電性的材料組成；(c) 積分器，所述積分器累積信號電荷；(d) 計量器，用于調節雪崩過程；(e) 調節器，所述調節器排空所述積分器并且控制所述計量器，所述雪 崩區、所述積分器、所述計量器和所述調節器構成設置在重摻雜襯底上的 疊層的半導體結構， 一個所述電極與所述疊層的半導體結構相對地接觸所 述襯底；(f) 導電類型與所述襯底相同的低摻雜半導體材料的中間層，所述中間 層接觸所述雪崩區和第二所述電極；以及(g) 接觸所述雪崩區和第三所述電極的電介質層，所述積分器和所述計量器功能是沿著所述雪崩區和所述電介質層之間的界面執行的，在第一和 第三所述電極之間的電勢導致在所述雪崩區內的蓋革雪崩模式，在將電壓 施加到上面時，第二所述電極排出所述積分器內的電荷。
92. 權利要求91所述的雪崩放大結構，其中所述調節器由高阻抗材料 組成。
93. 權利要求91所述的雪崩放大結構，其中所述調節器具有累積在所述積分器層上的多個第一種載流子從所述積分器的方向傳輸到所述調節器層中的第一能壘；以及導電類型與所述第一種載流子相反的多個第二種載流子從所述電極的方向傳輸到所述調節器中的第二能壘。
94. 權利要求91所述的雪崩放大結構，還包含(h)接觸區，所述接觸區由在所述中間層和第二所述電極之間的具有與 所述襯底相反的導電性的重摻雜材料組成。
95. 權利要求91所述的雪崩放大結構，所述雪崩放大結構還包含.-(h)第二調節器，所述第二調節器由高電導半導體材料組成，被設置在所述中間層和第二所述電極之間。
96. —種雪崩放大結構，其包含(a) 由摻雜InP組成的襯底；(b) 疊層的半導體結構，其包含(i) 絕緣體層；以及(ii) 調節器，所述調節器由摻雜InP組成，接觸所述絕緣體層；(iii) 積分器，所述積分器由慘雜InP組成，接觸所述調節器，所述 積分器累積信號電荷；(hO計量器層，所述計量器層由摻雜InP組成，接觸所述積分器， 所述計量器調整雪崩過程，所述調節器排空所述積分器并且控制所述計(v) 緩沖器，所述緩沖器由摻雜InGaAsP組成，接觸所述計量器；(vi) 由摻雜InGaAs組成的吸收器；以及(vii) 由InP組成的外延層，所述襯底接觸所述外延層；(c) 第一電極，所述第一電極與所述調節器相對地連通到所述絕緣體層; 以及(d)第二電極，所述第二電極與所述外延層相對地連通到所述襯底
97. 權利要求96所述的雪崩放大結構，其中所述襯底具有[100]的取向。
98. 權利要求96所述的雪崩放大結構，其中所述絕緣體是Si3N4。
99. 一種多通道結構，所述多通道結構包含獨立設置并且設置成陣列的 至少兩個雪崩放大結構，所述雪崩放大結構的每一個具有設置在雪崩區 層、積分器層、調節器層和襯底層周圍的至少兩個電極，所述層中的兩個 沿著起計量器的作用的第一界面接觸，所述計量器調整雪崩過程，所述積 分器累積信號電荷，所述調節器排空所述積分器并且控制所述計量器。
100. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構的相鄰對 以不小于0.5pm的間距分開。
101. 權利要求99所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述間 隙填充有半導體材料，所述半導體材料還組成所述雪崩區。
102. 權利要求99所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述間 隙填充有導電類型與所述積分器相同的輕摻雜半導體材料。
103. 權利要求99所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述間 隙填充有電介質材料，所述電介質材料還將所述積分器與所述調節器分 開。
104. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構在幾何形 狀和尺寸上是相同的。
105. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構是三角 形、矩形、正方形、多邊形或圓形。
106. 權利要求99所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所述 第一電極。
107. 權利要求106所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
108. 權利要求99所述的多通道結構，所述多通道結構還包含在每個所 述雪崩放大結構內的電介質層。
109. 權利要求99所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所述 襯底層。
110. 權利要求99所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所述第二電極。
111. 權利要求iio所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
112. 權利要求99所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結構內的第三電極。
113. 權利要求99所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所述 第三電極。
114. 權利要求113所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
115. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述第一電極是透明的。
116. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述第二電極是透明的。
117. 權利要求99所述的多通道結構，其中所述第三電極是透明的。
118. 權利要求99所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結構 內的阻擋層。
119. 權利要求99所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結構 內的信號傳輸層。
120. 權利要求99所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結構 內的接觸區。
121. —種多通道結構，所述多通道結構包含獨立設置并且設置成陣列 的至少兩個雪崩放大結構，所述雪崩放大結構的每一個具有設置在雪崩區 層、調節器層、電介質層和襯底周圍的至少兩個電極，所述層中的兩個沿 著起計量器的作用的第一界面接觸，所述層中的兩個沿著起積分器的作用 的第二界面接觸，所述計量器調整雪崩過程，所述積分器累積信號電荷， 所述調節器排空所述積分器并且控制所述計量器。
122. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構的相鄰 對以不小于0.5pm的間距分開。
123. 權利要求121所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述 間隙填充有半導體材料，所述半導體材料還組成所述雪崩區。
124. 權利要求121所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述 間隙填充有導電類型與所述積分器相同的輕摻雜半導體材料。
125. 權利要求121所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述間隙填充有電介質材料，所述電介質材料還將所述積分器與所述調節器分 開。
126. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構在幾何 形狀和尺寸上是相同的。
127. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構是三角 形、矩形、正方形、多邊形或圓形。
128. 權利要求121所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述第一電極。
129. 權利要求128所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
130. 權利要求121所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的電介質層。
131. 權利要求121所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述襯底層。
132. 權利要求121所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述第二電極。
133. 權利要求132所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
134. 權利要求121所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的第三電極。
135. 權利要求121所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述第三電極。
136. 權利要求135所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
137. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述第一電極是透明的。
138. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述第二電極是透明的。
139. 權利要求121所述的多通道結構，其中所述第三電極是透明的。
140. 權利要求121所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的阻擋層。
141. 權利要求121所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的信號傳輸層。
142. 權利要求121所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的接觸區。
143. —種多通道結構，所述多通道結構包含獨立設置并且設置成陣列 的至少兩個雪崩放大結構，所述雪崩放大結構的每一個具有設置在雪崩區 層、調節器層、電介質層和襯底周圍的至少兩個電極，所述層中的兩個沿 著起計量器和積分器的作用的界面接觸，所述計量器調整雪崩過程，所述 積分器累積信號電荷，所述調節器排空所述積分器并且控制所述計量器。
144. 權利要求143所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構的相鄰 對以不小于0.5pm的間距分開。
145. 權利要求143所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述 間隙填充有半導體材料，所述半導體材料還組成所述雪崩區。
146. 權利要求143所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述 間隙填充有導電類型與所述積分器相同的輕摻雜半導體材料。
147. 權利要求143所述的多通道結構，其中在所述積分器之間的所述 間隙填充有電介質材料，所述電介質材料還將所述積分器與所述調節器分 開。
148. 權利要求143所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構在幾何 形狀和尺寸上是相同的。
149. 權利要求143所述的多通道結構，其中所述雪崩放大結構是三角 形、矩形、正方形、多邊形或圓形。
150. 權利要求143所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述第一電極。
151. 權利要求143所述的多通道結構，其中所述單個連續元件是透明的。
152. 權利要求143所述的多通道結構，還包含在每個所述雪崩放大結 構內的電介質層。
153. 權利要求143所述的多通道結構，其中通過單個連續元件提供所 述襯底層。
154. 權利要求143所述的多通道結構，述第二電極。
155. 權利要求143所述的多通道結構，的。
156. 權利要求143所述的多通道結構， 所述雪崩放大結構內的第三電極。
157. 權利要求143所述的多通道結構， 述第三電極。
158. 權利要求157所述的多通道結構，的。
159. 權利要求143所述的多通道結構，
160. 權利要求143所述的多通道結構，
161. 權利要求143所述的多通道結構，
162. 權利要求143所述的多通道結構， 構內的阻擋層。
163. 權利要求143所述的多通道結構， 構內的信號傳輸層。
164. 權利要求143所述的多通道結構， 構內的接觸區。
165. 權利要求143所述的多通道結構， 反恐怖主義應用中的改善的偵査用的夜視裝置。其中通過單個連續元件提供所其中所述單個連續元件是透明所述多通道結構還包含在每個其中通過單個連續元件提供所其中所述單個連續元件是透明其中所述第一電極是透明的。 其中所述第二電極是透明的。 其中所述第三電極是透明的。 還包含在每個所述雪崩放大結還包含在每個所述雪崩放大結還包含在每個所述雪崩放大結其中所述多通道結構適用于在
全文摘要
本發明描述了雪崩放大結構(1)，所述雪崩放大結構(1)包含電極(2)和(8)、雪崩區(3)、計量器(4)、積分器(5)、調節器(6)和襯底(7)，被設置成檢測由少至幾個電子組成的弱信號。計量器(4)調整雪崩過程。積分器(5)累積信號電荷。調節器(6)排空所述積分器(5)并且控制所述計量器(4)。所述雪崩放大結構(1)包含標準計量器，反向偏壓設計；標準計量器，標準偏壓設計；橫向計量器，標準偏壓設計；可變計量器，標準偏壓，調節電極設計；標準計量器，標準偏壓，調節電極設計；以及橫向計量器，標準偏壓，環形積分器設計。類似地，設置雪崩放大結構(1)以提供多通道裝置的陣列。所述結構對于國防關鍵性裝置直接具有適用性。
文檔編號H01J47/00GK101258577SQ200680028037
公開日2008年9月3日 申請日期2006年6月10日 優先權日2005年6月10日
發明者德米特里·A·舒沙科夫, 維塔利·E·舒賓 申請人:增強技術公司