紫外光雪崩管成像陣列像元、其應用方法及雪崩管成像陣列的制作方法

專利名稱：紫外光雪崩管成像陣列像元、其應用方法及雪崩管成像陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種紫外光雪崩管成像陣列像元、其應用方法及雪崩管成像陣列。
背景技術：
紫外光特別是日盲紫外波段的探測在空間探測以及軍事方面有著極其重要的應用。目前，紫外波段的光子計數系統應用的是光電倍增管(PMT)，但是光電倍增管體積大、 易碎、工作電壓高且價格昂貴，所以體積小、價格便宜的固態紫外探測器就有非常重要的優勢。近年來隨著GaN和AlGaN材料工藝的進步，在實驗室中也出現了 GaN基和AlGaN基材料的紫外光雪崩管和單光子探測雪崩管(SPAD)的報道。但是由于GaN以及AlGaN材料本身晶格錯位的原因，材料中缺陷密度非常大(目前報道的GaN及AlGaN材料的位錯密度為IO7CnT2至IOltlCnr2)，特別是AlGaN材料中隨著Al組分含量的增大(Al含量越大，AlGaN 禁帶寬度越大，探測截止波長越短)，缺陷密度也在越大。所以GaN基和AlGaN基雪崩管和單光子探測雪崩管非常難制造，如果AlGaN材料的缺陷密度為108cm_2，那么根據良率公式
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Y=(-)WAY KUO, FELLOW, IEEE, AND TAEHO KIM, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 87,
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NO. 8, AUGUST 1999，(其中A為器件面積，D為缺陷密度。)AlGaN雪崩管的良率極低，且雪崩管面積越大，良率越低。圖1為計算得到的AlGaN雪崩管的良率與器件面積的關系圖，可以看出，若雪崩管面積為10 X 10 μ m2，其良率不到1 %，假設要制造一個IKX IK大小的紫外光雪崩管成像陣列，其中品質好的像元個數只有10K，其余990K個像元都是壞的，這樣的成像陣列根本不能工作，所以以目前這樣的良率，很難用傳統的雪崩管結構實現紫外光雪崩管成像陣列。如圖2A所示，APD 100是一個典型的硅基金屬-電阻-半導體(MRS)V. Saveliev， V. Golovin, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 442(2000) 223-229結構雪崩管探測器，它的基本結構是由光電二極管101、薄膜電阻102和金屬電極 103構成，薄膜電阻102和光電二極管101的ρ型半導體端形成電接觸，然后金屬層103淀積在薄膜電阻102上和薄膜電阻102接觸，其等效電路如圖2B。工作時，在MRS結構雪崩管 APD 100上加負電壓Vbias，當無光時，這時光電二極管101處于負偏壓狀態，二極管101等效于一個電容，負電壓Vbias主要分配在光電二極管101上；若有光子到達二極管101，光子被吸收產生電子空穴對，電子和空穴在倍增區域產生更多的電子和空穴，光電二極管101 發生雪崩，從而光信號轉化為電信號并且被放大，該過程也可以看是成電容的放電過程，這時負偏壓Vbias就有一部分電壓分配到薄膜電阻102上，從而光電二極管101上作用的電壓降低，雪崩被熄滅，故薄膜電阻102有著負反饋的作用。一旦光電二極管101上的電壓降低，雪崩過程被熄滅，這時二極管101重新充電，電壓增加，從而能夠探測下一個光信號。前面提到由于GaN和AlGaN材料本身晶格錯位的原因，缺陷密度很大，GaN和AlGaN雪崩管很難制造，良率極低，其紫外光雪崩管成像陣列無法實現。

發明內容
本發明提供一種紫外光雪崩管成像陣列像元，可以有效克服半導體材料本身的缺陷，提高良率。本發明還提供所述紫外光雪崩管成像陣列像元的應用方法及由其組成的雪崩管成像陣列。所述紫外光雪崩管成像陣列像元由多個雪崩管探測器并聯而成，所述雪崩管探測器由光電二極管、薄膜電阻、金屬層順序連接而成，每個雪崩管探測器中，光電二極管的η 型半導體與接觸電極連接，成像像元中各個雪崩管探測器的接觸電極之間形成電連接作為一個電極，各個雪崩管探測器共用一塊完整的金屬層，金屬層形成紫外光雪崩管成像陣列像元的另一個電極。更優選的是，所述紫外光雪崩管成像陣列像元由下至上依次包括獨立的多個光電二極管、絕緣鈍化層、與多個光電二極管一一對應的獨立的多個薄膜電阻、絕緣介質層和金屬層，鈍化層中設有多個第一接觸孔，使每個光電二極管的P型半導體端與相應的薄膜電阻通過第一接觸孔形成電接觸，絕緣介質層中設有多個第二接觸孔，使每個薄膜電阻與金屬層通過第二接觸孔形成電接觸。作為公知常識，鈍化層、介質層均為電絕緣層。優選所述紫外光雪崩管成像陣列像元的制備方法包括如下步驟(1)在襯底上依次形成η型半導體以及ρ型半導體；(2)刻蝕ρ型半導體，形成多個獨立的光電二極管結構，并于刻蝕后的區域內在η 型半導體上形成多個與光電二極管一一對應的接觸電極；(3)淀積鈍化層并在光電二極管上方刻蝕形成第一接觸孔；(4)淀積并刻蝕形成薄膜電阻，薄膜電阻通過第一接觸孔與相應的光電二極管單元形成電接觸；(5)淀積介質層并在所有的薄膜電阻上方刻蝕形成第二接觸孔；(6)淀積金屬層并通過第二接觸孔與所有的薄膜電阻形成電接觸。如圖3Β所示，所述紫外光雪崩管成像陣列像元的基本單元(以下簡稱UV-APD 200)由下而上可以為襯底201，η型半導體202，η型接觸電極203，ρ型半導體204，η型和 P型半導體采用MOCVD的方法外延生成；然后刻蝕P型半導體，再形成η行接觸電極203 ；淀積鈍化層205，形成接觸孔206，并且淀積形成薄膜電阻207使薄膜電阻207和ρ型半導體形成電接觸；最后淀積介質層208和形成接觸孔209，金屬層210和薄膜電阻207形成電接觸，211是接觸電極。其中襯底201是透明或半透明的材料，金屬層210可以是透明或半透明的材料。所述紫外光雪崩管成像陣列像元(以下簡稱UV-APD 300)可以由多個UV-APD 200 并聯形成，如圖3Α所示，UV-APD 200-1，200-2，200-3是三個UV-APD 200，它們通過金屬層 210和共同的接觸電極203-1，203-2并聯在一起，其基本的工藝過程如圖3C所示步驟212，在襯底201上形成η型半導體202以及ρ型半導204，可以用MOCVD的方式外延生長半導體材料；
步驟213，刻蝕ρ型半導體，在η型半導體上形成接觸電極203-1和203-2，接觸電極可以通過金屬線連接在一起作為一個接觸電極；步驟214，淀積鈍化層205并刻蝕形成接觸孔206 ；步驟215，淀積并刻蝕形成薄膜電阻207-1，207-2和207-3 ；步驟216，淀積介質層208并形成接觸孔209 ；步驟217，淀積金屬層210并與薄膜電阻形成電接觸，金屬層210構成另一個電極 301。UV-APD 300的等效電路圖如圖3D所示，UV-APD 300是由多個UV-APD 200并聯形成，所有的UV-APD 200的陰極通過金屬層210連接在一起構成一個電極，接觸電極203連接在一起構成另一個電極。這樣構成的UV-APD 300實際上是由多個UV-APD 200單元并聯構成。在前面提到由于GaN和AlGaN材料本身缺陷密度很大，故GaN和AlGaN基雪崩管的良率Y很低，如果UV-APD 300由合適個數的UV-APD 200并聯構成，則UV-APD 300中總有一定個數品質好的UV-APD 200，這樣UV-APD 300總能對光信號進行探測，故這種結構的紫外光雪崩管成像陣列像元良率接近于100%，能夠實現紫外光雪崩管成像陣列，克服了 GaN 和AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的問題。紫外光雪崩管成像陣列像元中光電二極管由III-V族和/或II-VI族半導體材料制得，優選由GaN，AlGaN或AlN中的至少一種制得。紫外光雪崩管成像陣列像元中雪崩管探測器單元的半徑優選為1至50 μ m。優選每個獨立的薄膜電阻的阻值為100ΚΩ至10ΜΩ ；優選的薄膜電阻的材料為 SiC 或 Six0y。由于GaN和AlGaN材料本身缺陷密度很大，故GaN和AlGaN基雪崩管的良率很低； 在UV-APD 300中有些UV-APD 200是壞的，故在無光加負偏壓時，這些壞的UV-APD 200就已經發生雪崩，這時在電極301上就有一個電信號Ib，這個電信號就是暗電流，我們可以稱這個電流為背底電流；而那些品質好的UV-APD 200則能夠正常工作。具體操作中，所述紫外光雪崩管成像陣列像元的應用方法為在所述紫外光雪崩管成像陣列像元上加負偏壓， 使紫外光雪崩管成像陣列像元工作，無光時，測得紫外光雪崩管成像陣列像元電流為Ib，將它作為像元背底電流；有光時，那些品質好的UV-APD 200發生雪崩過程從而將光信號轉化為電信號并放大，測得紫外光雪崩管成像陣列像元電流為Is，則由光產生的倍增電流大小為Ic= Is-Ib，這就是所述紫外光雪崩管成像陣列像元得到的電信號大小。紫外光雪崩管成像陣列像元工作在線性放大模式或蓋革模式(Geiger Mode)D. Renker, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 48-56下。所加負偏壓大小為IOV到100V。所述雪崩管成像陣列，由多個所述的紫外光雪崩管成像陣列像元組成。由于UV-APD 300由多個UV-APD 200并聯得到，可以將UV-APD 200的面積做的很小，這樣提高了 UV-APD 200的良率，且不影響UV-APD 300的感光面積。如果UV-APD 300 是由合適個數的UV-APD200并聯構成，則UV-APD 300中總有一定個數品質好的UV-APD 200。如果GaN的缺陷密度為IO7CnT2，且UV-APD200的面積為5X 5 μ m2，則根據良率公式 UV-APD200 的良率為 13%，若UV-APD 300 由 IOX 10個UV-APD 200單元構成，則像元UV-APD300中有13個UV-APD 200是品質好的，這樣UV-APD 300總能對光信號進行探測，故這種結構的紫紫外光雪崩管成像陣列像元良率接近于100%，克服了 GaN和AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的問題。如圖4所示UV-APD 300由16個UV-APD 200并聯構成，若該像元中總有品質好的UV-APD 200，則UV-APD 300就是一個品質好的成像像元，它能對光信號進行探測，并且良率近乎達到了 100 %，可以實現紫外光雪崩管成像陣列。由前面分析得到，本發明紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300的良率接近于100%，所以利用UV-APD 300作為成像單元，可以制成雪崩管成像陣列。如圖5所示， UV-APDARRAY 500是由NXN個UV-APD 300組成的雪崩管成像陣列，在上面提到由于像元 UV-APD300的良率接近于100%，所以成像陣列UV-APD ARRAY 500中，所有的像素單元都是品質好的，因此本發明所述紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300克服了由于GaN和 AlGaN材料本身缺陷密度大而造成的無法實現紫外光雪崩管成像陣列的問題。同時本發明提出的新型結構也可以用來制造大感光面積紫外光雪崩管成像陣列像元，由于GaN和AlGaN材料本身的缺陷密度比較大，故大面積的紫外光雪崩管非常難制造成功，但本發明中UV-APD 300是由多個UV-APD 200并聯構成，可以將UV-APD 200的面積做的很小，提高了 UV-APD 200的良率，同時由多個UV-APD 200構成UV-APD 300，使感光面積增大且不影響良率。比如我們需要制成ΙΟΟΧΙΟΟμπι2大小的紫外光雪崩管成像陣列像元，若用傳統的結構，其良率不到1%，如果采用本發明，若UV-APD 200的面積為 5X5ym2(隨著工藝的進步，尺寸可以做的更小)JljUV-APD 200的良率是10%左右，那么可以用20 X 20個UV-APD 200構成UV-APD 300，使像元面積到達100 X 100 μ m2，且其良率可以接近于100%，這是目前的雪崩管結構無法達到的。假若材料技術的發展使得AlGaN和 GaN等材料的缺陷密度減小，那么制造同樣50X50 μ m2大小的紫外光雪崩管成像陣列像元， 傳統結構的良率與本發明紫外光雪崩管成像陣列像元的良率隨缺陷密度的關系如圖6所示(圖中本發明紫外光雪崩管成像陣列像元由10X10個5Χ5μπι2大小的UV-APD 200單元構成)，可以發現只有當AlGaN和GaN材料的缺陷密度減小到IO4CnT2時，傳統結構的紫外光雪崩管的良率才能與本發明相比擬。所以利用本發明提出的紫外光雪崩管成像陣列像元結構，可以制成大感光面積的紫外光雪崩管像元，且避免了由于面積較大而導致良率下降的問題。本發明的有效效果為本發明所述紫外光雪崩管成像陣列像元結構克服了 GaN，AlGaN等多缺陷材料本身缺陷密度大而造成的良率過低的問題，該新型結構紫外光雪崩管成像陣列像元良率可以接近并達到100%，利用該紫外光雪崩管成像陣列像元作為成像單元，可以制成紫外光雪崩管成像陣列。本發明中紫外光雪崩管成像陣列像元結構克服了大面積雪崩管良率過低的問題， 該紫外光雪崩管成像陣列像元可以由幾十或者數百個較小的基本單元結構UV-APD 200組成，所以可以制成大感光面積的紫外光雪崩管成像陣列像元，且沒有因為面積過大而良率降低的問題。


圖1為現有技術中AlGaN材料傳統結構雪崩管探測器良率與器件面積的關系；
圖2A為典型的硅基MRS結構雪崩管探測器結構示意圖；圖2B為圖IA中描述的硅基MRS結構雪崩管探測器的等效電路圖；圖3A為本發明一種紫外光雪崩管成像陣列像元的結構示意圖；圖3B為圖3A中紫外光雪崩管成像陣列像元中的基本組成單元結構示意圖；圖3C為圖3A中紫外光雪崩管成像陣列像元的基本工藝過程；圖3D為圖3A中紫外光雪崩管成像陣列像元的等效電路圖；圖4為本發明一種具體的紫外光雪崩管成像陣列像元的結構示意圖；圖5為本發明一種雪崩管成像陣列；圖6為面積為50Χ50μπι2的傳統結構雪崩管探測器良率與本發明紫外光雪崩管成像陣列像元的良率對比圖。
具體實施例方式如圖3Α所示是本發明所述紫外光雪崩管成像陣列像元的一個示意圖。若所述紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300由多個基本單元UV-APD 200 (如圖3Β)并聯構成，UV-APD 200的半徑可以為Iym到50μπι。在圖3Β中，我們可以由下而上形成襯底201，襯底201可以是SiC、藍寶石以及硅襯底等材料，但要求襯底透光；η型半導體202和ρ型半導體204，材料可以是GaN，AlN和AlGaN等材料，可以采用MOCVD的方式外延生長η型半導體202和ρ型半導體204，其中也有緩沖層，從而降低材料中的晶格位錯， 減小缺陷密度；然后刻蝕P型半導體露出部分η型半導體，再形成η型接觸電極203，電極可以采用Ti/Au合金等材料；淀積絕緣鈍化層205并且形成接觸孔206，鈍化層可以用氧化物等材料；淀積形成薄膜電阻207使薄膜電阻207和ρ型半導體形成電接觸，薄膜電阻207 可以采用SiC或SixOy等材料，其電阻值約為幾百ΚΩ到1ΜΩ ；淀積介質層208和形成接觸孔209，金屬層210和薄膜電阻207形成電接觸，211是接觸電極。本發明紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300可以由數十個到數百個UV-APD 200構成，若構成ΙΟΟΧΙΟΟμπι2大小的紫外光雪崩管成像陣列像元，可以用20X20個面積為5X5 μ m2大小的UV-APD 200構成，其工藝流程如圖3C所示。簡單的工藝流程為在襯底201上形成η型半導體202以及ρ型半導204，可以用MOCVD的方式外延生長GaN，AlN和AlGaN等半導體材料；刻蝕ρ型半導體204，形成多個光電二極管陣列結構，陣列大小為20X20，光電二極管的面積為5Χ5μπι2。然后在η型半導體202上形成接觸電極203，所有的η型接觸電極203可以通過金屬線連接在一起作為紫外光雪崩光成像陣列像元的一個電極；淀積絕緣鈍化層205并在光電二極管單元上方刻蝕形成接觸孔206 ；淀積并刻蝕形成20X20個薄膜電阻207，薄膜電阻通過接觸孔與相應的光電二極管單元形成電接觸；淀積介質層208并在所有的薄膜電阻207上方刻蝕形成接觸孔209 ；淀積金屬層210并通過接觸孔209與所有的薄膜電阻207形成電接觸，金屬層210 構成另一個電極211。
前面訴述100X 100 μ m2大小紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300在具體操作時，電極301上加上負偏壓Vbias，使像元UV-APD 300工作在線性放大模式或者Geiger Mode下，其電壓大小可以為IOV至100V，根據不同的摻雜濃度以及工藝參數，其工作電壓亦不同。無光時，在電極301上測得像元UV-APD 300的電流大小為IB，這是紫外光雪崩管成像陣列像元UV-APD 300的背底電流；有光時，在電極301上測得雪崩管的電流為Is，則由光信號轉化成的電流的大小為Ic = Is-Ib即Ic為雪崩管像元UV-APD 300讀出的電信號的大小。
權利要求
1.一種紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于由多個雪崩管探測器并聯而成，所述雪崩管探測器由光電二極管、薄膜電阻、金屬層順序連接而成，每個雪崩管探測器中，光電二極管的η型半導體與接觸電極連接，成像像元中各個雪崩管探測器的接觸電極之間形成電連接作為一個電極，各個雪崩管探測器共用一塊完整的金屬層，金屬層形成紫外光雪崩管成像陣列像元的另一個電極。
2.如權利要求1所述的紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于，所述紫外光雪崩管成像陣列像元由下至上依次包括獨立的多個光電二極管、鈍化層、與多個光電二極管一一對應的獨立的多個薄膜電阻、介質層和金屬層，鈍化層中設有多個第一接觸孔，使每個光電二極管的P型半導體端與相應的薄膜電阻通過第一接觸孔形成電接觸，介質層中設有多個第二接觸孔，使每個薄膜電阻與金屬層通過第二接觸孔形成電接觸。
3.如權利要求2所述的紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于，所述紫外光雪崩管成像陣列像元的制備方法包括如下步驟(1)在襯底上依次形成η型半導體以及P型半導體；(2)刻蝕ρ型半導體，形成多個獨立的光電二極管結構，并于刻蝕后的區域內在η型半導體上形成多個與光電二極管一一對應的接觸電極；(3)淀積鈍化層并在光電二極管上方刻蝕形成第一接觸孔；(4)淀積并刻蝕形成薄膜電阻，薄膜電阻通過第一接觸孔與相應的光電二極管單元形成電接觸；(5)淀積介質層并在所有的薄膜電阻上方刻蝕形成第二接觸孔；(6)淀積金屬層并通過第二接觸孔與所有的薄膜電阻形成電接觸。
4.如權利要求1-3中任一項所述的紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于，光電二極管由GaN，AlGaN或AlN中的至少一種制得。
5.如權利要求1-3中任一項所述的紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于，成像陣列像元中雪崩管探測器單元的半徑為1至50 μ m。
6.如權利要求1-3中任一項所述的紫外光雪崩管成像陣列像元，其特征在于，每個獨立的薄膜電阻的阻值為100K Ω至IOM Ω，優選薄膜電阻的材料為SiC或Six0y。
7.權利要求1-6中任一項所述的紫外光雪崩管成像陣列像元的應用方法，其特征在于，在所述紫外光雪崩管成像陣列像元上加負偏壓，使紫外光雪崩管成像陣列像元工作，無光時，測得紫外光雪崩管成像陣列像元電流為Ib，將它作為像元背底電流；有光時，測得紫外光雪崩管成像陣列像元電流為Is，則由光產生的倍增電流大小為Ic = Is-Ib，這就是所述紫外光雪崩管成像陣列像元得到的電信號大小。
8.如權利要求7所述的紫外光雪崩管成像陣列像元的應用方法，其特征在于，紫外光雪崩管成像陣列像元工作在線性放大模式或蓋革模式下。
9.如權利要求7或8所述的紫外光雪崩管成像陣列像元的應用方法，其特征在于，所加負偏壓大小為IOV到100V。
10.一種雪崩管成像陣列，由多個權利要求1-7中任一項所述的紫外光雪崩管成像陣列像元組成。
全文摘要
本發明涉及紫外光雪崩管成像陣列像元、其應用方法及由其組成的雪崩管成像陣列。所述紫外光雪崩管成像陣列像元由多個雪崩管探測器并聯而成，所述雪崩管探測器由光電二極管、薄膜電阻、金屬層順序連接而成，每個雪崩管探測器中，光電二極管的n型半導體與接觸電極連接，成像像元中各個雪崩管探測器的接觸電極之間形成電連接作為一個電極，各個雪崩管探測器共用一塊完整的金屬層，金屬層形成紫外光雪崩管成像陣列像元的另一個電極。所述所述雪崩管成像陣列，由多個所述的紫外光雪崩管成像陣列像元組成。本發明的有效效果為克服了材料本身缺陷密度大而造成的良率過低的問題，該新型結構紫外光雪崩管成像陣列像元良率可以接近并達到100％。
文檔編號H01L27/146GK102184929SQ20111007275
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月24日 優先權日2011年3月24日
發明者吳福偉, 閆鋒 申請人:南京大學