一種高探測效率的單光子雪崩二極管探測器陣列單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高探測效率的單光子雪崩光電二極管探測器陣列單元，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子雪崩光電二極管(即:SPAD)具有響應(yīng)速度快、雪崩增益大、探測效率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，因此它成為了制作單光子探測器的最佳器件。SPAD探測器可以探測非常微弱的光源，能達(dá)到單光子的量級，并對成像目標(biāo)的光場在時間和空間上進(jìn)行采樣和計算，最后得到所需要的高質(zhì)量成像結(jié)果。因此它在量子通訊、天文探測、生物波導(dǎo)、放射探測、高能物理、天文測光、光時域反射和量子密鑰分配系統(tǒng)等領(lǐng)域都有著廣泛地應(yīng)用，并逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003]目前，影響SPAD探測器光子探測效率的因素有以下兩種:1、深N阱與P型襯底形成的寄生PN結(jié)影響探測效率；2、雪崩區(qū)域的面積小；其中雪崩區(qū)域面積小的原因是:一方面重?fù)诫sP+區(qū)與深N阱形成的雪崩區(qū)很薄使得雪崩區(qū)的面積很小；另一方面為了防止邊緣擊穿在P+區(qū)的周圍生成了淺摻雜區(qū)使得雪崩區(qū)面積減小。為了提高探測效率，傳統(tǒng)的單光子雪崩光電二極管(即:SPAD)只對其中某一種因素進(jìn)行了改進(jìn)，因此最后得到的效果并不理想，SPAD探測器的光子探測效率始終不高。為了有效地提高SPAD探測器的探測效率，一個關(guān)鍵的技術(shù)是如何擴(kuò)大SPAD雪崩區(qū)的面積，并消除寄生PN結(jié)的影響。此外，在保證SPAD探測器的光子探測效率(即:H)E)成倍增長的同時，還要確保SPAD探測器的其他性能不受影響，如:串?dāng)_率，暗計數(shù)率(即:DCR) ο
[0004]傳統(tǒng)的SPAD單元結(jié)構(gòu)的P型襯底內(nèi)有一個深N講，深N阱的表面中央有一個P+區(qū)，該區(qū)表面引出電極作為SPAD器件的陽極，P+區(qū)的兩邊是淺摻雜的P阱；深P阱的兩邊還有兩個N+區(qū)，N+區(qū)表面引出電極作為SPAD器件的陰極；在深P阱之外P型襯底的兩邊有兩個P+區(qū)，其周圍被P阱包圍；深N阱內(nèi)P阱和N+區(qū)之間用淺溝槽隔離(STI)區(qū)隔開，深N阱內(nèi)的N+區(qū)和深N阱外的P+區(qū)也用STI隔開。對于這樣的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)存在以下幾個問題:1)、深N阱表面中央的P+區(qū)濃度高，與深N阱形成的雪崩區(qū)很薄。2)、為了防止邊緣擊穿，在P+區(qū)的周圍形成了低摻雜P講，從而使雪崩區(qū)面積更小了。3)、深N阱和P型襯底之間會形成寄生PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)的存在會降低SPAD的探測效率。4)、傳統(tǒng)SPAD結(jié)構(gòu)中的淺溝槽隔離(STI)區(qū)的作用是減小串?dāng)_，但僅僅只是STI，最后得到的SPAD器件的串?dāng)_率依舊很高。而且傳統(tǒng)的單光子雪崩光電二極管的探測效率普遍很低，串?dāng)_率較高。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對傳統(tǒng)SPAD探測器存在探測效率低的問題，提出了一種高探測效率的單光子雪崩二極管探測器陣列單元，該陣列單元為環(huán)繞式P-注入加P埋層和P-埋層保護(hù)的深P阱的SPAD結(jié)構(gòu)，該陣列單元解決了光子探測效率不高的問題，提高了SPAD的性能。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種高探測效率的單光子雪崩光電二極管探測器陣列單元，該陣列單元的有源區(qū)包括P型襯底1、外延層2、P埋層區(qū)3、P-埋層區(qū)4、P-注入?yún)^(qū)和P阱之間的淺溝槽隔離(STI)區(qū)5、兩P阱之間的淺溝槽隔離(STI)區(qū)6、深P阱7、P-注入?yún)^(qū)8、N阱9、深P阱兩側(cè)的P阱10、外延層兩側(cè)的P阱11、N+區(qū)12、深P阱兩側(cè)的P+區(qū)13、外延層兩側(cè)的P+區(qū)14。
[0007]本發(fā)明的單光子雪崩光電二極管包括P型襯底區(qū)I和外延層2，單光子雪崩光電二極管的深P阱7貫穿在P型襯底I和外延層2之間；P型襯底I的表面中央有一個P埋層區(qū)3，P埋層區(qū)3的周圍環(huán)繞著P-埋層區(qū)4，它們都在深P阱7內(nèi)。深P阱7的表面中心有一個N+區(qū)12，該區(qū)表面引出電極作為SPAD器件的正極，N+區(qū)12被N阱9包圍，N阱9的四周環(huán)繞著P-注入?yún)^(qū)8，該區(qū)在深P阱7內(nèi)。深P阱7的表面兩側(cè)還有一個環(huán)形的P+區(qū)13，其表面引出電極作為SPAD器件的負(fù)極，環(huán)形P+區(qū)13被P阱10包圍。外延層2表面兩側(cè)深P阱7以外還有一個環(huán)形P+區(qū)14，該區(qū)被P阱11包圍；兩個P阱之間用淺溝槽隔離(STI)區(qū)6隔開，P阱10和P-注入?yún)^(qū)8用淺溝槽隔離(STI)區(qū)5隔開。
[0008]本發(fā)明的P型襯底區(qū)I和外延層2的材料可以用硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、銦砷化鎵(InGaAs)等III _ V族化合物材料。
[0009]本發(fā)明的雪崩區(qū)為輕摻雜N阱9和深P阱7形成PN結(jié)構(gòu)層；當(dāng)單光子雪崩光電二極管工作在蓋革模式下時，一旦檢測到光子后，在其交界處的雪崩區(qū)就會產(chǎn)生一個電子-空穴對，電子和空穴獲得足夠的能量后會在高電場下加速，與晶格發(fā)生碰撞，形成大量的電子空穴對從而構(gòu)成較大的二次光電流，這一過程形成連鎖反應(yīng)，從而產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)在輕摻雜的N阱和P型襯底之間形成雪崩區(qū)，從而拉低了耗盡層的位置，增加了雪崩區(qū)的深度，有助于吸收波長較長的光子，提高光子的探測效率。
[0010]本發(fā)明在P型襯底中用深P阱取代深N阱；設(shè)有三重保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，即:環(huán)形P-注入結(jié)構(gòu)、P埋層結(jié)構(gòu)和P-埋層結(jié)構(gòu)對降低串?dāng)_率有很大的貢獻(xiàn)。
[0011]本發(fā)明用深N阱代替深P阱；深P阱7與P型襯底I不會產(chǎn)生寄生PN結(jié)，因此可以巧妙的避免寄生PN結(jié)的廣生，從而提尚探測效率。
[0012]本發(fā)明的N阱9和深P阱7之間形成雪崩區(qū)；相對于N+區(qū)來講N阱的雜質(zhì)濃度低，所以所形成的雪崩區(qū)更厚，該結(jié)構(gòu)有利于吸收波長較長的光子，同時提高光子探測效率尚O
[0013]本發(fā)明用P-埋層區(qū)4控制邊緣電場；為了控制電場的均勻性消除邊緣擊穿和邊緣效應(yīng)，傳統(tǒng)的SPAD采用P+區(qū)周圍淺摻雜P阱的方式，這種方式雖然可以從某種程度上防止邊緣擊穿，但是效果沒有通過P-埋層區(qū)4控制邊緣電場的效果好，而且淺摻雜P阱區(qū)也使得雪崩區(qū)減小，不利于探測效率的提高；因此，用P-埋層4區(qū)控制邊緣電場既可以防止邊緣擊穿也可以提高探測效率。
[0014]本發(fā)明的P-埋層區(qū)4、P埋層區(qū)3和P-注入?yún)^(qū)8形成保護(hù)環(huán)；傳統(tǒng)的SPAD為了減小器件單元之間的串?dāng)_，常常用STI作為保護(hù)環(huán)，但是只用SIT效果并不是很好；本發(fā)明在原有STI的基礎(chǔ)上還增加了 P-埋層區(qū)、P埋層區(qū)和P-注入?yún)^(qū)作為保護(hù)環(huán)，這就大大減小了單元之間的串?dāng)_，從而有效的降低了暗計數(shù)率。
[0015]有益效果:
[0016]1、本發(fā)明的SPAD器件結(jié)構(gòu)新穎；本發(fā)明在P型襯底中用深P阱取代深N阱；設(shè)有三重保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，即P-埋層保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)、P埋層保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和P-注入保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)；本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上有著很大的突破。
[0017]2、本發(fā)明的SPAD器件探測效率高；本發(fā)明SPAD器件的探測效率高，是通過如下三個方面體現(xiàn)，包括:1)、N阱和深P阱之間形成雪崩區(qū)，該雪崩區(qū)很厚，有利于探測波長較長的光子，可以提高探測效率；2)、本發(fā)明用P-埋層控制邊緣電場既防止了邊緣效應(yīng)又相對增大了雪崩區(qū)的面積，提高了探測效率。3)、本發(fā)明用深P阱代替深N阱，巧妙的避免了傳統(tǒng)的SPAD中P型襯底與深N阱之間形成的寄生PN結(jié)，這對提高探測效率也有很大的幫助。
[0018]3、本發(fā)明的SPAD器件暗計數(shù)低；本發(fā)明的P-埋層結(jié)構(gòu)、P埋層結(jié)構(gòu)和P-注入結(jié)構(gòu)都有保護(hù)環(huán)的作用，再加上淺溝槽隔離的輔助，可以有效的降低串?dāng)_，減小暗計數(shù)。
[0019]4、本發(fā)明在確保SPAD探測器高探測效率的同時，還極大地降低了串?dāng)_率。
【附圖說明】
[0020]圖1為傳統(tǒng)的單光子雪崩光電二極管陣列單元的橫截面示意圖。
[0021]標(biāo)識說明:1-P型襯底；2_深N阱；3-P+區(qū)；4_深N阱內(nèi)部的P阱；5_P阱和P+區(qū)之間的淺溝槽隔離(STI)區(qū)；6-N+區(qū)；7_兩P+區(qū)之間的淺溝槽隔離(STI)區(qū)；8-P+區(qū)；9_P型襯底兩側(cè)的P阱。
[0022]圖2為本發(fā)明單光子雪崩光電二極管陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]標(biāo)識說明:1-P型襯底；2_外延層；3_P埋層區(qū)；4-P_埋層區(qū)；5_P_注入?yún)^(qū)與P阱之間的淺溝槽隔離區(qū)；6_兩P阱之間的淺溝槽隔離區(qū)；7_深P阱；8-P-注入?yún)^(qū)；9-N阱；10_深P講兩側(cè)的P講；11-外延層兩側(cè)的P講；12_N+區(qū)；13_ f米P講兩側(cè)的P+區(qū)；14_外延層兩側(cè)的P+區(qū)。
[0024]如圖3為本發(fā)明單光子雪崩光電二極管陣列單元的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]標(biāo)識說明:1-P型襯底；2_外延層；3_P埋層區(qū)；4-P_埋層區(qū)；5_P_注入?yún)^(qū)與P阱之間的淺溝槽隔離區(qū)；6_兩P阱之間的淺溝槽隔離區(qū)；7_深P阱；8-P-注入?yún)^(qū)；9-N阱；10_深P講兩側(cè)的P講；11-外延層兩側(cè)的P講；12_N+區(qū)；13_ f米P講兩側(cè)的P+區(qū)；14_外延層兩側(cè)的P+區(qū)。