包括雪崩双极型晶体管的具有单电子计数能力的半导体器件制造技术

一种能够对单电子进行计数的半导体器件，其包括：具有发射极(E)、基极(B)和集电极(C)的双极型晶体管(T)、与发射极(E)电连接的电流源或电压源(30、31)以及与集电极(C)电连接的淬灭部件(28)，其中，双极型晶体管(T)配置成在高于击穿电压(BV)的集电极‑基极电压(V

Semiconductor devices with single electron counting capability including avalanche bipolar transistors

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括雪崩双极型晶体管的具有单电子计数能力的半导体器件本公开涉及用于测量小电流或小电压的半导体器件。单光子雪崩二极管(SPAD)是具有p-n结的半导体器件。反向偏置用于增加耗尽区的宽度。当提供反向偏置的工作电压超过p-n结的击穿电压所谓的过偏置电压时，注入耗尽层的单电荷载流子触发自持雪崩。除非工作电压降低到击穿电压或低于击穿电压，否则电流迅速上升。雪崩是由电子和空穴对引发的，这些电子和空穴对是由来自光源的光子或正向偏置的p-n结产生的。本专利技术的目的是提供一种用于小电流或小电压的直接数字测量的半导体器件。该目的由根据权利要求1所述的半导体器件实现。实施例源于从属权利要求。除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。具有单电子计数能力的半导体器件包括：具有发射极、基极和集电极的双极型晶体管、与发射极电连接的电流源或电压源以及与集电极电连接的淬灭部件。双极型晶体管被配置成在超过集电极-基极击穿电压的反向集电极-基极电压下工作。特别地，双极型晶体管是垂直双极型晶体管。在垂直双极型晶体管的操作期间，跨过基极区的电流沿垂直于器件的半导体衬底或晶圆的主表面的方向流动。所述电流可以另外具有平行于主表面的横向分量。在半导体器件的实施例中，电流源或电压源包括光电二极管。在另一实施例中，淬灭部件包括电阻器或晶体管。在另一实施例中，淬灭部件是有源淬灭电路。另一实施例包括与集电极电连接的脉冲产生部件。特别地，该脉冲产生部件可以是逆变器或施密特触发器。另一实施例包括计数器、时钟和处理单元，其中，计数器、时钟和处理单元与脉冲产生部件相连接，计数器被配置成对由脉冲产生部件产生的脉冲进行计数，时钟被配置成提供时间标准或基准，并且处理单元被配置成产生测量的结果。在另一实施例中，处理单元被配置成将数字形式的结果作为脉冲数与时间标准或基准之间的关系来确定。另一实施例包括开关或另外的晶体管，所述开关或另外的晶体管能够使基极和发射极之间暂时短路。另一实施例包括至少一个另外的双极型晶体管，所述至少一个另外的双极型晶体管包括与另外的淬灭部件连接的另外的集电极，所述双极型晶体管和所述至少一个另外的双极型晶体管在将注入电荷载流子的出现转化为计数方面具有不同的效率。另一实施例包括在电流源或电压源与发射极以及至少一个另外的发射极之间的开关或另外的晶体管，所述开关能够使发射极中的每个单独地与电流源或电压源连接。另一实施例包括至少一个另外的双极型晶体管，所述至少一个另外的双极型晶体管包括与另外的淬灭部件连接的另外的集电极以及至少一个另外的电流源或电压源，电流源或电压源包括不同灵敏度的传感器。另一实施例包括半导体材料的衬底，该衬底具有主表面。双极型晶体管包括：第一类型电导率的浅阱，该浅阱在衬底中的相反的第二类型电导率的深阱中；第二类型电导率的掺杂区，该掺杂区在浅阱中主表面处；p-n结，该p-n结在掺杂区与浅阱之间；结形成区，该结形成区布置在深阱中浅阱下方，该结形成区具有用于第二类型电导率的掺杂浓度，该结形成区的掺杂浓度高于深阱的、结形成区外部的掺杂浓度；以及另外的p-n结，该另外的p-n结在结形成区和浅阱之间。该另外的p-n结被配置成当该另外的p-n结被反向偏置到击穿电压以上时，检测由跨该p-n结的电流或电压引起的电荷载流子的注入。另一个实施例包括第一类型电导率的浅阱接触区，该浅阱接触区在浅阱中主表面处，该浅阱接触区的掺杂浓度高于浅阱的掺杂浓度。掺杂区布置在距浅阱接触区一定距离处。在另一个实施例中，掺杂区和浅阱接触区在主表面的被浅阱占据的一部分的至少80％或甚至90％上延伸。另一个实施例包括第二类型电导率的深阱接触区，该深阱接触区在深阱中主表面处，该深阱接触区的掺杂浓度高于深阱的掺杂浓度。另一个实施例包括第二类型电导率的深阱接触区，该深阱接触区在深阱中主表面处，该深阱接触区的掺杂浓度高于深阱的掺杂浓度。另一个实施例包括形成在深阱接触区、掺杂区和浅阱接触区上的接触层，以及布置在接触层上的接触插头。接触插头可以替代地直接布置在深井接触区、掺杂区和浅井接触区上。另一个实施例包括第一类型电导率的衬底接触区和接触插头，其中，衬底接触区在衬底中主表面处，衬底接触区的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度，接触插头布置在衬底接触区上或布置在形成于衬底接触区上的接触层上。以下是结合附图对半导体器件的示例的详细描述。图1是双极型晶体管的局部截面。图2是具有不同布置的掺杂区的另外的双极型晶体管的局部截面。图3是具有不同布置的结形成区的另外的双极型晶体管的局部截面。图4是具有互换布置的区域的另外的双极型晶体管的局部截面。图5示出了用于对双极型晶体管的集电极电流进行单电子计数的电路图。图6示出了图5所示电路的时间-电压图。图7示出了根据图5的包括使基极-发射极结短路的开关的电路图。图8示出了用于对双极型晶体管的集电极电流进行单电子计数的另外的电路图。图9示出了提供更大的模数转换动态范围的电路图。图10示出了提供更大的模数转换动态范围的另外的电路图。图11示出了测量系统的框图。图1是半导体器件的局部截面，该半导体器件包括双极型晶体管，该双极型晶体管被配置成在超过击穿电压的集电极-基极电压下使用淬灭部件工作。半导体器件包括半导体材料的衬底1，该半导体材料例如可以是硅。衬底1中的掺杂区具有第一类型电导率或相反的第二类型电导率。第一类型电导率可以是p型电导率，使得第二类型电导率是n型电导率，如作为示例的图所示。电导率的类型可以是相反的。对于任一种类型的电导率，对于在半导体材料上形成欧姆接触而言足够高的掺杂浓度分别由p+和n+表示。对于第一类型电导率，衬底1可以是本征掺杂的或具有低掺杂浓度。在衬底1的主表面10上，第一类型电导率的浅阱3位于第二类型电导率的深阱2中。例如，在深阱2的横向边界到达主表面10的地方，能够存在隔离区4，该隔离区可以是浅沟道隔离。可选地，在主表面10上存在介电材料的覆盖层5。覆盖层5例如能够是半导体材料的氧化物，特别是氮化硅、二氧化硅或氮化硅和二氧化硅的组合。如果需要衬底1的电连接，则可以提供对于第一类型电导率具有高掺杂浓度的衬底接触区6。衬底接触区6形成在主表面10上，并且可以布置在衬底区11中，该衬底区具有第一类型电导率的掺杂浓度，产生的电导率高于衬底1的基本电导率。深阱接触区7提供用于深阱2的电连接，该深阱接触区对于第二类型电导率具有高掺杂浓度。深阱接触区7形成在主表面10上，并且可以布置在阱区12中，该阱区具有第二类型电导率的掺杂浓度，产生的电导率高于深阱2的基本电导率。在主表面10上浅阱3中布置掺杂区8，该掺杂区对于第二类型电导率具有高掺杂浓度。浅阱接触区9提供用于浅阱3的电连接，该浅阱接触区对于相反的第一类型电导率具有高掺杂浓度，浅阱接触区9也设置在主表面10上浅阱3中，与掺杂区8相距很小的距离。在掺杂区8和浅阱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有单电子计数能力的半导体器件，其包括：/n具有发射极(E)、基极(B)和集电极(C)的双极型晶体管(T)，/n集电极-基极击穿电压(BV)，/n与所述发射极(E)电连接的电流源或电压源(30、31)，以及/n与所述集电极(C)电连接的淬灭部件(28)，其中，所述双极型晶体管(T)被配置成在高于所述击穿电压(BV)的反向集电极-基极电压(V

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170726 EP 17183332.01.一种具有单电子计数能力的半导体器件，其包括：
具有发射极(E)、基极(B)和集电极(C)的双极型晶体管(T)，
集电极-基极击穿电压(BV)，
与所述发射极(E)电连接的电流源或电压源(30、31)，以及
与所述集电极(C)电连接的淬灭部件(28)，其中，所述双极型晶体管(T)被配置成在高于所述击穿电压(BV)的反向集电极-基极电压(VCB)下工作。


2.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述电流源或电压源(30、31)包括光电二极管(32)。


3.如权利要求1或2所述的半导体器件，其中所述淬灭电路(28)包括电阻器或晶体管。


4.如权利要求1或2所述的半导体器件，其中所述淬灭部件(28)是有源淬灭电路。


5.如权利要求1至4之一所述的半导体器件，所述半导体器件还包括：
与所述集电极(C)电连接的脉冲产生部件(29)。


6.如权利要求5所述的半导体器件，其中所述脉冲产生部件(29)是逆变器或施密特触发器。


7.如权利要求5或6所述的半导体器件，所述半导体器件还包括：
计数器、时钟和处理单元，其中，所述计数器、时钟和处理单元与所述脉冲产生部件连接，
所述计数器被配置成对所述脉冲产生部件(29)产生的脉冲进行计数，
所述时钟被配置成提供时间标准或基准，并且
所述处理单元被配置成产生测量的结果。


8.如权利要求7所述的半导体器件，其中所述处理单元被配置成将数字形式的所述结果作为脉冲数与所述时间标准或基准之间的关系来确定。


9.如权利要求1至8之一所述的半导体器件，所述半导体器件还包括：
开关(33)或另外的晶体管，所述开关或另外的晶体管能够使所述基极(B)和所述发射极(E)短路。


10.如权利要求1至9之一所述的半导体器件，所述半导体器件还包括：
至少一个另外的双极型晶体管(Ta、Tb)，所述至少一个另外的双极型晶体管包括：与另外的淬灭部件(28a、28b)连接的另外的集电极，其中，所述双极型晶体管(T)和所述至少一个另外的双极型晶体管(Ta、Tb)在将注入电荷载流子的出现转化为计数方面具有不同的效率。


11.如权利要求10所述的半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：格奥尔格·勒雷尔，罗伯特·卡佩尔，内纳德·利利奇，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT