專利名稱：具有mos全耗盡漂移通道的雪崩漂移探測(cè)器及其探測(cè)方法
具有M0S全耗盡漂移通道的雪崩漂移探測(cè)器及其探測(cè)方法 本發(fā)明涉及一種新型半導(dǎo)體光電探測(cè)器MOS-ADD的器件結(jié)構(gòu)及其工作原理，屬于H01L 27/00類半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。 多元蓋革雪崩光電二極管(M-GAPD)，也稱為硅光電倍增管SiPM(SiliconPhotomultiplier)，應(yīng)用于弱光探測(cè)。其工作原理和發(fā)展歷史參閱文獻(xiàn)D. Renker. Geiger_mode avalanche photodiodes， history, properties andproblems.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567(2006)48-56。 相比于傳統(tǒng)的光電倍增管PMT， SiPM具有單光子響應(yīng)、增益較大、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、制作工藝簡(jiǎn)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(diǎn)，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，被認(rèn)為在不久的將來(lái)能成為部分光電倍增管的替代品。SiPM在高能物理研究、射線探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、量子通信以及其他弱光探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用都是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。例如，SiPM可以用于大型天文望遠(yuǎn)鏡(參閱M. R. Squillante， R.A.Myers，F(xiàn). Robertson, R.Farrell， J.F.Christian, G. Entine. Avalanche photodiode arraysfor a high—angular resolution X—rayand gamma—ray imaging telescopes. NuclearInstruments and Methods inPhysics Research Section A : ， Volume 580， Issue 2，1 October 2007， Pages848-852)，粒子物理探測(cè)(參閱D. Renker. New developments onphoto—sensorsfor particle physics. Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearchSection A:In Press,Corrected Proof，Available online 15 August 2008)，醫(yī)學(xué)石開(kāi)究中的基因診斷(參閱I. Rech，A. Restelli，S. Cova，M. Ghioni，M. Chiari，M. Cretich.Microelectronic photosensors for genetic diagnosticMicrosystems. Sensors andActuators B 100， pp. 158-162,2004)以及生物科技(參閱Schwartz, David Eric ;Gong，Ping ;Shepard， Kenneth L Time_resolvedForster_resonance_energy_transfer DNAassay on an active CMOS microarray. Biosens Bioelectron， 2008， 24③383-390)等。但是，由于目前SiPM技術(shù)還不成熟，還有很多缺點(diǎn)，如探測(cè)效率較低(一般<30%，稍好于PMT)、動(dòng)態(tài)范圍窄(102-10Vmm2)、暗計(jì)數(shù)率較高、光學(xué)串?dāng)_較嚴(yán)重、面積較小等(參閱YuriMusienko，"Advances in multipixel Geiger-mode avalanche photodiodes (siliconphotomultipliers) ，，， Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A :，Corrected Proof ，Available online 19 August 2008)，限制了 SiPM的實(shí)際應(yīng)用。新的器件單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)正在積極地探索中。 SiPM由大量的小面積雪崩二極管單元組成?，F(xiàn)有的SiPM探測(cè)效率較低主要是由于其幾何效率(或填充因子)較低。由于時(shí)間相關(guān)性測(cè)量以及探測(cè)器工作性能的要求，單元輸出電容不能太大，暗計(jì)數(shù)和漏電流越低越好，即要求雪崩光電二極管探測(cè)單元的面積不能太大。高單元數(shù)(103以上)的SiPM由于單元之間的"死區(qū)"(非敏感區(qū))以及單元引線和電極制備占據(jù)，填充因子往往較低(一般低于50%)，這就導(dǎo)致了探測(cè)效率較低。同時(shí)，SiPM的吸收區(qū)深度有限，為了減小材料對(duì)光的吸收和探測(cè)短波長(zhǎng)光的需要，單元的結(jié)深一般都很淺，對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光的探測(cè)探測(cè)效率較低(參閱S. Gomi，H. Hano，T. Iijima，S. Itoh，K. Kawagoe，et al. "Developmentand study of the multi pixel photon co皿ter"NuclearInstruments andMethods in Physics Research Section A: ，Volume 581， Issues 1—2，210ctober 2007，Pages 427-432)。 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種新型的雪崩探測(cè)器單元結(jié)構(gòu)-一具有MOS全耗盡漂移通道的雪崩漂移探測(cè)器，以下簡(jiǎn)稱為M0S-ADD(M0S d印letion driftchannelAvalanche Drift Detector)。它既可以作為SiPM的基本探測(cè)單元而大規(guī)模集成，也可以制作成大面積的單元探測(cè)器。M0S-ADD的基本結(jié)構(gòu)是以大面積的M0S結(jié)構(gòu)和掩埋反偏PN結(jié)共同形成的全耗盡區(qū)作為探測(cè)器的耗盡有源區(qū)并在其中形成一條光生載流子(電子或空穴)能谷作為漂移通道，以內(nèi)外漂移環(huán)在通道中產(chǎn)生側(cè)向漂移電場(chǎng)，而以位于單元中心的"點(diǎn)狀"蓋革雪崩二極管(GAPD)作為光生載流子的收集區(qū)。至今還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道或?qū)嶋H應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用于SiPM多單元集成時(shí)，采用M0S-ADD結(jié)構(gòu)可以方便的解決SiPM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(shí)提供很高的填充因子(大于70%)和探測(cè)效率。同時(shí)，由于采用很小面積的點(diǎn)狀雪崩區(qū)，高場(chǎng)區(qū)面積大大減小，可以有效減小漏電流和暗記數(shù)率(相比于相同有效探測(cè)面積的APD器件)。MOS-ADD采用正面入射方式，入射面所有電極均可以采用透明導(dǎo)電膜，例如氧化銦錫(IT0)膜或很薄的金屬膜作為電極材料，有效減小電極對(duì)光的遮擋和吸收。 MOS-ADD結(jié)構(gòu)用于制作單元大面積單光子探測(cè)器時(shí)，因輸出電容小且不依賴于探測(cè)器的面積，其電子學(xué)噪聲一般遠(yuǎn)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(參閱S. Tanaka， J. Kataoka， Y. Kanai， Y. Yatsu， M. Arimoto，M. Koizumi,N. Kawai，Y. Ishikawa，S. Kawai，N. Kawabata，"Development ofwideband X_rayand gamma-ray spectrometer using transmission-type， large-areaAPD，，， NuclearInstruments and Methods in Physics Research Section A， Volume582， Issue 2， 21November 2007， Pages 562-568)，適合于對(duì)穿透深度較淺的軟X射線、紫外光、可見(jiàn)光及近紅外光的探測(cè)。如果結(jié)合閃爍體還可以用來(lái)探測(cè)高能量的X或y射線，在弱光檢測(cè)、核醫(yī)學(xué)成像、高能物理研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 —種新型具有MOS全耗盡漂移通道的雪崩漂移探測(cè)器，英文簡(jiǎn)稱為MOS
ADD(MOSd印letion drift channel Avalanche Drift Detector)，其特征在于制作該探測(cè)
器的半導(dǎo)體材料為硅單晶片，每個(gè)探測(cè)器單元由"點(diǎn)狀"雪崩二極管收集區(qū)、耗盡有源區(qū)、大
面積透明柵極M0S結(jié)構(gòu)、掩埋pn結(jié)、內(nèi)漂移電極、外漂移電極以及接地構(gòu)成。 所述硅單晶片摻雜類型為N型或P型，摻雜濃度低于lX1017cm—3，厚度為100微
米-O. 5毫米，晶向〈100>、〈110>或〈111>，單面或雙面拋光片； 所述"點(diǎn)狀"雪崩二極管收集區(qū)位于探測(cè)器單元的中心，其面積小于lOOOym2 ;
所述耗盡有源區(qū)的摻雜類型與硅單晶片摻雜類型相反，深度0. 1微米-10微米；
所述大面積透明柵極MOS結(jié)構(gòu)由透明導(dǎo)電膜-SiO廠Si構(gòu)成，透明導(dǎo)電膜兼做電極和減反射膜，可以是ITO或很薄的金屬(例如銀、金、鋁、鈦等)，其厚度為lnm-10iim， Si02層厚lnm_l ii m ; 所述掩埋pn結(jié)由耗盡有源區(qū)與硅單晶片襯底構(gòu)成； 所述內(nèi)、外漂移電極摻雜類型與耗盡有源區(qū)相反，接地電極摻雜類型與耗盡有源區(qū)相同，采用透明導(dǎo)體或鋁膜做電極引出； 所述新型MOS-ADD探測(cè)器具有圓餅和圓環(huán)形狀，獲具有方形或條形形狀； 所述新型M0S-ADD探測(cè)器具有單元或多元陣列結(jié)構(gòu)，所述多元陣列結(jié)構(gòu)的輸出端
可以是各自獨(dú)立輸出，也可以是全部并聯(lián)，共用l個(gè)負(fù)載； 本發(fā)明還涉及所述新型MOS-ADD探測(cè)器探測(cè)光信號(hào)的方法。其特征是 被測(cè)光信號(hào)從所述MOS-ADD探測(cè)器的正面入射進(jìn)入探測(cè)器(透過(guò)透明電極)； 探測(cè)器工作時(shí)，所述掩埋pn結(jié)加反向偏壓，所述MOS結(jié)構(gòu)工作在耗盡狀態(tài)，所述
內(nèi)、外漂移電極與耗盡有源區(qū)形成反偏pn結(jié)，外電極偏壓的絕對(duì)值大于內(nèi)電極偏壓的絕對(duì)
值； 所述光信號(hào)指近紅外光、可見(jiàn)光、紫外光(波長(zhǎng)范圍是0.2-1. l微米)及軟X光
(能量范圍是l-20keV)。 以下結(jié)合實(shí)例具體說(shuō)明本發(fā)明。

圖1所示為基于N型硅單晶片，空穴漂移的新型MOS-ADD單元的結(jié)構(gòu)示意圖。探測(cè)器由"點(diǎn)狀"雪崩二極管收集區(qū)Collecting electrode、耗盡有源區(qū)P井(piell，摻雜受主區(qū))、IT0透明柵極MOS結(jié)構(gòu)、掩埋pn結(jié)、內(nèi)漂移環(huán)電極Rl、外漂移環(huán)電極R2，接地環(huán)電極GND。 使用本發(fā)明新型MOS-ADD探測(cè)器探測(cè)光信號(hào)的方法是光信號(hào)從探測(cè)器正面入射進(jìn)入探測(cè)器。GND接地，Collecting electrode電極加負(fù)偏壓到雪崩擊穿電壓以上，當(dāng)一個(gè)光生空穴漂移到雪崩區(qū)后引發(fā)雪崩倍增并輸出一個(gè)放大的脈沖電流信號(hào)；IT0透明柵極Gate和背面電極Back electrode各加一合適正偏壓(相對(duì)于GND)，使P井(pwell)全耗盡并在P井中形成一條空穴電勢(shì)能谷，使光生空穴集中于能谷中以減小表面復(fù)合損失；內(nèi)漂移環(huán)電極Rl加小的正電壓(約l-4V)，外漂移環(huán)電極R2加比Rl稍高幾伏特的正電壓，在P井耗盡區(qū)中形成一指向探測(cè)器單元中心的側(cè)向漂移電場(chǎng)(如圖2所示的由軟件模擬得到的漂移區(qū)電勢(shì)分布)。MOS結(jié)構(gòu)處于弱反型或耗盡狀態(tài)，弱反型層作為分壓電阻可使側(cè)向漂移電場(chǎng)更均勻。被測(cè)光信號(hào)從所述MOS-ADD探測(cè)器的正面入射進(jìn)入器件(透過(guò)IT0電極)，在耗盡區(qū)中產(chǎn)生電子_空穴對(duì)，電子被排斥進(jìn)入M0S溝道下的反型層或襯底，而空穴將匯聚于漂移通道(即空穴電勢(shì)能谷)中并在漂移環(huán)所產(chǎn)生的側(cè)向電場(chǎng)下漂移至探測(cè)器中心的雪崩區(qū)(如圖3所示的由軟件模擬得到的空穴電流的分布和流向)，在雪崩區(qū)發(fā)生碰撞電離倍增而被放大并輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào)。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中 新型MOS-ADD探測(cè)器采用P型硅單晶片制作，其晶向?yàn)椤?00>、〈111>或〈110〉，摻雜濃度低于1 X 1017cm—3，厚度100微米-0. 5毫米；
"點(diǎn)狀"雪崩二極管的面積小于1000 m2 ; N井(Niell)耗盡有源區(qū)的深度為0. 1微米_10微米，由離子注入、擴(kuò)散或外延等技術(shù)實(shí)現(xiàn)； 透明柵極M0S結(jié)構(gòu)由透明導(dǎo)電膜-Si02-Si構(gòu)成，透明導(dǎo)電膜兼做電極和減反射膜，可以是ITO或很薄的金屬，例如鋁、鈦、銀、金等，其厚度為lnm-lOym， Si(^層厚lnm_l li m ; 內(nèi)、外漂移電極R1、 R2和接地電極GND可以采用和透明柵極M0S結(jié)構(gòu)一樣的IT0膜或很薄的金屬，其厚度為lnm-10iim ; M0S-ADD探測(cè)器除了圓餅和圓環(huán)形狀外，還可以具有方形或條形形狀； MOS-ADD探測(cè)器除了單元結(jié)構(gòu)外，還可以具有多元陣列或其它變種形式的結(jié)構(gòu)。所
述多元陣列結(jié)構(gòu)的輸出端可以是各自獨(dú)立輸出，或全部并聯(lián)，共用l個(gè)負(fù)載。 需要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基
于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于制作該探測(cè)器的半導(dǎo)體材料為單晶硅片，每個(gè)探測(cè)器單元由“點(diǎn)狀”雪崩二極管收集區(qū)、耗盡有源區(qū)、大面積透明柵極MOS結(jié)構(gòu)、掩埋pn結(jié)、內(nèi)漂移電極、外漂移電極以及接地構(gòu)成；
2. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于所述硅單晶片摻雜類型為N型或P型，摻雜濃度低于lX1017cm—3，厚度為IOO微米-O. 5毫米，晶向〈100〉、 〈110〉或〈111〉，單面或雙面拋光片；
3. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于所述"點(diǎn)狀"雪崩二極管收集區(qū)位于探測(cè)器單元的中心，其面積小于1000 iim2 ;
4. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于耗盡有源區(qū)的摻雜類型與權(quán)利要求2所述硅單晶片摻雜類型相反，深度0. 1微米-10微米；
5. 如權(quán)利要求l所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于所述大面積透明柵極MOS結(jié)構(gòu)由透明導(dǎo)電膜-S叫-Si(即權(quán)利要求4所述耗盡有源區(qū))構(gòu)成，透明導(dǎo)電膜兼做電極和減反射膜，厚度為lnm-10 ii m， Si02層厚lnm-1 y m ;
6. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于所述掩埋pn結(jié)由權(quán)利要求4所述耗盡有源區(qū)與權(quán)利要求2所述硅單晶片襯底構(gòu)成；
7. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于所述內(nèi)、外漂移電極摻雜類型與權(quán)利要求4所述耗盡有源區(qū)相反，接地?fù)诫s類型與權(quán)利要求4所述耗盡有源區(qū)相同，采用厚度為lnm-10 ym的透明導(dǎo)體或鋁、鈦膜做電極引出；
8. 如權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于具有圓餅和圓環(huán)形狀，獲具有方形或條形形狀；
9. 如權(quán)利要求l所述的新型MOS-ADD探測(cè)器，其特征在于具有單元或多元陣列結(jié)構(gòu)，所述多元陣列結(jié)構(gòu)的輸出端可以是各自獨(dú)立輸出，或全部并聯(lián)，共用1個(gè)負(fù)載；
10. —種使用權(quán)利要求1所述的新型MOS-ADD探測(cè)器探測(cè)光信號(hào)的方法，其特征在于被測(cè)光信號(hào)從所述MOS-ADD探測(cè)器的正面入射進(jìn)入探測(cè)器(透過(guò)透明電極)，探測(cè)器工作時(shí)，權(quán)利要求6所述掩埋pn結(jié)加反向偏壓，權(quán)利要求5所述MOS結(jié)構(gòu)工作在弱反型或耗盡狀態(tài)，權(quán)利要求7所述的內(nèi)、外漂移電極與權(quán)利要求4所述耗盡有源區(qū)形成反偏pn結(jié)，外電極偏壓的絕對(duì)值大于內(nèi)電極偏壓的絕對(duì)值；
11. 如權(quán)利要求10所述的光信號(hào)指近紅外光、可見(jiàn)光、紫外光(波長(zhǎng)范圍是0. 21. 1微米)或X光(能量范圍是l-20keV)。
全文摘要
本發(fā)明新型MOS-ADD探測(cè)器采用硅單晶片來(lái)制作。應(yīng)用于SiPM多單元集成時(shí)，采用MOS-ADD結(jié)構(gòu)可以方便的解決SiPM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(shí)提供很高的填充因子(大于70％)和探測(cè)效率。同時(shí)，由于采用很小面積的“點(diǎn)狀”雪崩區(qū)，高場(chǎng)區(qū)面積大大減小，可以有效減小漏電流和暗記數(shù)(相比于相同有效探測(cè)面積的SiPM器件)。MOS-ADD采用正面入射方式，入射面所有電極可采用透明導(dǎo)電膜，能夠有效減小電極的阻擋和對(duì)光的吸收。全耗盡的有源區(qū)可深達(dá)幾微米或幾十微米，對(duì)藍(lán)光到近紅外光波段都敏感。MOS-ADD結(jié)構(gòu)用于制作單元大面積單光子探測(cè)器時(shí)，因輸出電容小且不依賴于探測(cè)器的面積，其電子學(xué)噪聲一般遠(yuǎn)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，適合于對(duì)穿透深度較淺的軟X射線及可見(jiàn)光的探測(cè)。如果結(jié)合閃爍體還可以用來(lái)探測(cè)高能量的X或γ射線。
文檔編號(hào)G01J1/42GK101752391SQ20081018046
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者袁俊, 韓德俊 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)