CN208904029U - 可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器 - Google Patents

Abstract

专利公开了一种可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器，通过在pn结耗尽区钝化层上方增加电极可达到调制钝化层与碲镉汞界面处pn结能带的作用，使钝化层与碲镉汞界面处pn结趋于平带状态从而抑制表面产生‑复合、表面隧穿等表面漏电流。该探测器具有可调制pn结区表面能带使其趋于平带状态，抑制表面漏电流从而使二极管工作在反向大偏压下以盖革模式工作的优点，有利于解决常规结构的碲镉汞雪崩二极管器件在反向偏压大于雪崩击穿电压时，会因表面存在较大的漏电流，致使光电二极管发生热电击穿，限制其只能满足以线性模式进行信号探测的问题。

Description

可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器

技术领域

本专利涉及碲镉汞红外探测器技术，具体涉及碲镉汞雪崩二极管探测器的设计与制备技术。

背景技术

碲镉汞雪崩二级管探测器早在20世纪80年代就有见报道，由于碲镉汞本身离化系数特性使得其可制备近于无过剩噪声的雪崩光电二极管，将在红外微弱信号和高空间-时间分辨率探测中发挥关键作用，近年来得到快速发展，已成为第三代红外成像探测器发展的一个重要方向。碲镉汞红外雪崩光电二极管探测器以其高增益带宽积、高信噪比和适于线性工作进行成像等优点在可以实现高速、弱信号甚至单光子探测，在光纤通信、三维激光雷达，天文观测以及大气探测等方面中有广泛应用。

碲镉汞雪崩二级管的工作模式有两种：线性模式和盖革模式。在线性模式下二级管输出电流与照射在其上的光子数成正比，增益与注入的光电子数无关，增益较小约为10²～10³量级，此时碲镉汞雪崩二级管可集成为红外焦平面探测器实现对弱信号的光电成像。在盖革模式下，碲镉汞雪崩二级管所加反向偏压大于雪崩击穿电压，其输出电流不随入射光子数变化，增益很高，可达10⁶量级，能够实现单光子探测，可用于高速光纤通信***，以及3D主/被动双模式成像的探测技术。

常规结构的碲镉汞雪崩二极管探测器(图2)，由于钝化层固定电荷的影响，通常钝化层与碲镉汞的界面处pn结不处于平带状态，器件表面易出现耗尽、累积和反型，并表现为能带弯曲，进而产生一系列与表面相关的暗电流，如图3所示。并且，pn结区表面的漏电流远远大于空间电荷区域的产生-复合电流、扩散电流、隧穿电流，是碲镉汞雪崩二极管雪崩器件暗电流的最主要成分。于是，这种常规结构的红外二极管雪崩器件在反向偏压大于雪崩击穿电压时，会因表面存在较大的漏电流，致使光电二极管发生热电击穿。这限制了其只能满足以线性模式放大的信号探测。为实现高的雪崩增益因子，必须通过降低雪崩二极管的暗电流，才能以盖革模式来实现微弱信号、甚至是单光子的探测。

发明内容

本专利的目的是为了解决常规结构的碲镉汞雪崩二极管器件在反向偏压大于雪崩击穿电压时，会因表面存在较大的漏电流，致使光电二极管发生热电击穿，限制其只能满足以线性模式进行信号探测的问题，提出的一种可调制pn结区表面能带使其趋于平带状态，抑制表面漏电流从而使二极管工作在反向大偏压下以盖革模式工作的探测器。

总体结构描述：如图1，本芯片包括碲镉汞p区1，碲镉汞低掺杂n^-区2，碲镉汞高掺杂n⁺区3，钝化层4，pn结光敏元区电极5，p区公共电极6和表面能带调制电极7；在碲镉汞p区1上通过常规掺杂形成碲镉汞高掺杂n⁺区3和碲镉汞低掺杂n^-区2；在碲镉汞上覆盖钝化层4，在pn结光敏元区5和碲镉汞p区1上方的钝化层4上分别开孔使碲镉汞高掺杂n⁺区3与pn结光敏元区电极5相连，碲镉汞p区1与p区公共电极6相连；在钝化层4上制备表面能带调制电极7,其位置在垂直方向上的碲镉汞低掺杂n^-区2和碲镉汞p区1所形成的pn结耗尽区上钝化层4上；

进一步结构特点描述：碲镉汞p区1浓度为8×10¹⁵cm^-3，碲镉汞低掺杂n^-区2浓度为1×10¹⁵cm^-3，纵向碲镉汞高掺杂n⁺区3下的碲镉汞低掺杂n^-区2厚度为3μm，碲镉汞高掺杂n⁺区3浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm。钝化层4由碲化镉和硫化锌组成，先覆盖碲化镉，再覆盖硫化锌。碲化镉厚度在100nm到200nm之间，硫化锌厚度在0nm到200nm之间；pn结光敏元区电极5，p区公共电极6和表面能带调制电极7由锡和金组成，先覆盖锡，再覆盖金。锡厚度在20nm到40nm之间，金厚度在60nm到120nm之间。

工作原理：通过表面能带调制电极7灵活调制碲镉汞表面pn结区的能带结构使其趋于平带，抑制表面产生-复合、表面隧穿等表面漏电流的作用，可有效地降低雪崩二极管暗电流和载流子表面沟道效应带来的影响，进而提高雪崩二极管的反向击穿电压和在发生热电击穿前反向大偏压下结区的电场强度，大大增加雪崩增益因子从而使二极管工作在反向大偏压下以盖革模式工作。

本专利有益效果：解决常规结构碲镉汞雪崩二极管器件在反向偏压大于雪崩击穿电压时，会因表面存在较大的漏电流，致使光电二极管发生热电击穿，限制其只能满足以线性模式进行信号探测的问题，调制pn结区表面能带使其趋于平带状态，抑制表面漏电流从而使二极管工作在反向大偏压下以盖革模式工作。

附图说明

图1是具有可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器示意图，其中1为碲镉汞p区，2为碲镉汞低掺杂n^-区，3为碲镉汞高掺杂n⁺区，4为钝化层，5为pn结光敏元区电极，6为p区公共电极，7为表面能带调制电极。

图2是常规结构碲镉汞雪崩二极管探测器示意图，其中1为碲镉汞p区，2为碲镉汞低掺杂n^-区，3为碲镉汞高掺杂n⁺区，4为钝化层，5为pn结光敏元区电极，6为p区公共电极。

图3是碲镉汞n⁺-n^--p雪崩二极管表面引起的暗电流与p型表面势的关系图。

具体实施方式

实施例1

1)在p型碲镉汞上通过常规掺杂形成n⁺-n^--p结构，碲镉汞p区浓度为8×10¹⁵cm^-3，n^-区浓度为1×10¹⁵cm^-3，纵向n⁺区下的n^-区厚度为3μm，n⁺区浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm；

2)在碲镉汞表面先生长100nm碲化镉钝化层；

3)用碲化镉腐蚀液腐蚀钝化层，开出pn结光敏元区钝化孔和p区公共电极钝化孔；

4)在钝化孔和pn结耗尽区钝化层上方生长20nm的锡，再生长60nm的金。

实施例2

1)在p型碲镉汞上通过常规掺杂形成n⁺-n^--p结构，碲镉汞p区浓度为8×10¹⁵cm^-3，n^-区浓度为1×10¹⁵cm^-3，纵向n⁺区下的n^-区厚度为3μm，n⁺区浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm；

2)在碲镉汞表面先生长150nm碲化镉钝化层，再生长100nm的硫化锌；

3)用盐酸腐蚀硫化锌，碲化镉腐蚀液腐蚀钝化层，开出pn结光敏元区钝化孔和p区公共电极钝化孔；

4)在钝化孔和pn结耗尽区钝化层上方生长30nm的锡，再生长100nm的金。

实施例3

1)在p型碲镉汞上通过常规掺杂形成n⁺-n^--p结构，碲镉汞p区浓度为8×10¹⁵cm^-3，n^-区浓度为1×10¹⁵cm^-3，纵向n⁺区下的n^-区厚度为3μm，n⁺区浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm；

2)在碲镉汞表面先生长200nm碲化镉钝化层，再生长200nm的硫化锌；

3)用盐酸腐蚀硫化锌，碲化镉腐蚀液腐蚀钝化层，开出pn结光敏元区钝化孔和p区公共电极钝化孔；

4)在钝化孔和pn结耗尽区钝化层上方生长40nm的锡，再生长120nm的金。

Claims (3)

1.一种可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器，包括碲镉汞p区(1)，碲镉汞低掺杂n^-区(2)，碲镉汞高掺杂n⁺区(3)，钝化层(4)，pn结光敏元区电极(5)，p区公共电极(6)和表面能带调制电极(7)，其特征在于：

在碲镉汞p区(1)上通过常规掺杂形成碲镉汞高掺杂n⁺区(3)和碲镉汞低掺杂n^-区(2)；在碲镉汞上覆盖钝化层(4)，在pn结光敏元区电极(5)和碲镉汞p区(1)上方的钝化层(4)上分别开孔使碲镉汞高掺杂n⁺区(3)与pn结光敏元区电极(5)相连，碲镉汞p区(1)与p区公共电极(6)相连；在钝化层(4)上制备表面能带调制电极(7),其位置在垂直方向上的碲镉汞低掺杂n^-区(2)和碲镉汞p区(1)所形成的pn结耗尽区上钝化层(4)上；

所述的纵向碲镉汞高掺杂n⁺区(3)下的碲镉汞低掺杂n^-区(2)厚度为3μm，碲镉汞高掺杂n⁺区(3)厚度为1μm。

2.根据权利要求1所述的一种可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器，其特征在于：所述的钝化层(4)由碲化镉和硫化锌组成，先在碲镉汞p区(1)覆盖碲化镉，再覆盖硫化锌，碲化镉厚度在100nm到200nm之间，硫化锌厚度在0nm到200nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种可调制表面能带的碲镉汞雪崩二极管探测器，其特征在于：所述的pn结光敏元区电极(5)，p区公共电极(6)和表面能带调制电极(7)均由锡和金组成，先覆盖锡，再覆盖金，锡厚度在20nm到40nm之间，金厚度在60nm到120nm之间。