CN105185796A - 一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元，该阵列单元为环绕式P-注入加P埋层和P-埋层保护的深P阱的SPAD结构，即：在P型衬底中通过离子注入形成深P阱，深P阱中有两个埋层区，即P埋层区3和P-埋层区4，P-埋层区4的上面有P-注入区8环绕。该阵列单元结构能够有效地提高SPAD器件的光子探测效率，且暗计数率很低，很好地提高了SPAD探测器的整体性能。

Description

一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元

技术领域

本发明涉及一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，属于光电技术领域。

背景技术

单光子雪崩光电二极管(即：SPAD)具有响应速度快、雪崩增益大、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点,因此它成为了制作单光子探测器的最佳器件。SPAD探测器可以探测非常微弱的光源，能达到单光子的量级，并对成像目标的光场在时间和空间上进行采样和计算，最后得到所需要的高质量成像结果。因此它在量子通讯、天文探测、生物波导、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射和量子密钥分配系统等领域都有着广泛地应用，并逐渐成为国内外研究的热点。

目前，影响SPAD探测器光子探测效率的因素有以下两种：1、深N阱与P型衬底形成的寄生PN结影响探测效率；2、雪崩区域的面积小；其中雪崩区域面积小的原因是：一方面重掺杂P+区与深N阱形成的雪崩区很薄使得雪崩区的面积很小；另一方面为了防止边缘击穿在P+区的周围生成了浅掺杂区使得雪崩区面积减小。为了提高探测效率，传统的单光子雪崩光电二极管(即：SPAD)只对其中某一种因素进行了改进，因此最后得到的效果并不理想，SPAD探测器的光子探测效率始终不高。为了有效地提高SPAD探测器的探测效率，一个关键的技术是如何扩大SPAD雪崩区的面积，并消除寄生PN结的影响。此外，在保证SPAD探测器的光子探测效率(即：PDE)成倍增长的同时，还要确保SPAD探测器的其他性能不受影响，如：串扰率，暗计数率(即：DCR)。

传统的SPAD单元结构的P型衬底内有一个深N阱，深N阱的表面中央有一个P+区，该区表面引出电极作为SPAD器件的阳极，P+区的两边是浅掺杂的P阱；深P阱的两边还有两个N+区，N+区表面引出电极作为SPAD器件的阴极；在深P阱之外P型衬底的两边有两个P+区，其周围被P阱包围；深N阱内P阱和N+区之间用浅沟槽隔离(STI)区隔开，深N阱内的N+区和深N阱外的P+区也用STI隔开。对于这样的结构，现有技术存在以下几个问题：1)、深N阱表面中央的P+区浓度高，与深N阱形成的雪崩区很薄。2)、为了防止边缘击穿，在P+区的周围形成了低掺杂P阱，从而使雪崩区面积更小了。3)、深N阱和P型衬底之间会形成寄生PN结，该PN结的存在会降低SPAD的探测效率。4)、传统SPAD结构中的浅沟槽隔离(STI)区的作用是减小串扰，但仅仅只是STI，最后得到的SPAD器件的串扰率依旧很高。而且传统的单光子雪崩光电二极管的探测效率普遍很低，串扰率较高。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对传统SPAD探测器存在探测效率低的问题，提出了一种高探测效率的单光子雪崩二极管探测器阵列单元，该阵列单元为环绕式P-注入加P埋层和P-埋层保护的深P阱的SPAD结构，该阵列单元解决了光子探测效率不高的问题，提高了SPAD的性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，该阵列单元的有源区包括P型衬底1、外延层2、P埋层区3、P-埋层区4、P-注入区和P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区5、两P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区6、深P阱7、P-注入区8、N阱9、深P阱两侧的P阱10、外延层两侧的P阱11、N+区12、深P阱两侧的P+区13、外延层两侧的P+区14。

本发明的单光子雪崩光电二极管包括P型衬底区1和外延层2，单光子雪崩光电二极管的深P阱7贯穿在P型衬底1和外延层2之间；P型衬底1的表面中央有一个P埋层区3，P埋层区3的周围环绕着P-埋层区4，它们都在深P阱7内。深P阱7的表面中心有一个N+区12，该区表面引出电极作为SPAD器件的正极，N+区12被N阱9包围，N阱9的四周环绕着P-注入区8，该区在深P阱7内。深P阱7的表面两侧还有一个环形的P+区13，其表面引出电极作为SPAD器件的负极，环形P+区13被P阱10包围。外延层2表面两侧深P阱7以外还有一个环形P+区14，该区被P阱11包围；两个P阱之间用浅沟槽隔离(STI)区6隔开,P阱10和P-注入区8用浅沟槽隔离(STI)区5隔开。

本发明的P型衬底区1和外延层2的材料可以用硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铟砷化镓(InGaAs)等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

本发明的雪崩区为轻掺杂N阱9和深P阱7形成PN结构层；当单光子雪崩光电二极管工作在盖革模式下时，一旦检测到光子后，在其交界处的雪崩区就会产生一个电子-空穴对，电子和空穴获得足够的能量后会在高电场下加速，与晶格发生碰撞，形成大量的电子空穴对从而构成较大的二次光电流，这一过程形成连锁反应，从而产生雪崩现象，该结构在轻掺杂的N阱和P型衬底之间形成雪崩区，从而拉低了耗尽层的位置，增加了雪崩区的深度，有助于吸收波长较长的光子，提高光子的探测效率。

本发明在P型衬底中用深P阱取代深N阱；设有三重保护环结构，即：环形P-注入结构、P埋层结构和P-埋层结构对降低串扰率有很大的贡献。

本发明用深N阱代替深P阱；深P阱7与P型衬底1不会产生寄生PN结，因此可以巧妙的避免寄生PN结的产生，从而提高探测效率。

本发明的N阱9和深P阱7之间形成雪崩区；相对于N+区来讲N阱的杂质浓度低，所以所形成的雪崩区更厚，该结构有利于吸收波长较长的光子，同时提高光子探测效率高。

本发明用P-埋层区4控制边缘电场；为了控制电场的均匀性消除边缘击穿和边缘效应,传统的SPAD采用P+区周围浅掺杂P阱的方式，这种方式虽然可以从某种程度上防止边缘击穿，但是效果没有通过P-埋层区4控制边缘电场的效果好，而且浅掺杂P阱区也使得雪崩区减小，不利于探测效率的提高；因此，用P-埋层4区控制边缘电场既可以防止边缘击穿也可以提高探测效率。

本发明的P-埋层区4、P埋层区3和P-注入区8形成保护环；传统的SPAD为了减小器件单元之间的串扰，常常用STI作为保护环，但是只用SIT效果并不是很好；本发明在原有STI的基础上还增加了P-埋层区、P埋层区和P-注入区作为保护环，这就大大减小了单元之间的串扰，从而有效的降低了暗计数率。

有益效果：

1、本发明的SPAD器件结构新颖；本发明在P型衬底中用深P阱取代深N阱；设有三重保护环结构，即P-埋层保护环结构、P埋层保护环结构和P-注入保护环结构；本发明在结构上有着很大的突破。

2、本发明的SPAD器件探测效率高；本发明SPAD器件的探测效率高，是通过如下三个方面体现，包括：1)、N阱和深P阱之间形成雪崩区，该雪崩区很厚，有利于探测波长较长的光子，可以提高探测效率；2)、本发明用P-埋层控制边缘电场既防止了边缘效应又相对增大了雪崩区的面积，提高了探测效率。3)、本发明用深P阱代替深N阱，巧妙的避免了传统的SPAD中P型衬底与深N阱之间形成的寄生PN结，这对提高探测效率也有很大的帮助。

3、本发明的SPAD器件暗计数低；本发明的P-埋层结构、P埋层结构和P-注入结构都有保护环的作用，再加上浅沟槽隔离的辅助，可以有效的降低串扰，减小暗计数。

4、本发明在确保SPAD探测器高探测效率的同时，还极大地降低了串扰率。

附图说明

图1为传统的单光子雪崩光电二极管阵列单元的横截面示意图。

标识说明：1-P型衬底；2-深N阱；3-P+区；4-深N阱内部的P阱；5-P阱和P+区之间的浅沟槽隔离(STI)区；6-N+区；7-两P+区之间的浅沟槽隔离(STI)区；8-P+区；9-P型衬底两侧的P阱。

图2为本发明单光子雪崩光电二极管阵列单元的结构示意图。

标识说明：1-P型衬底；2-外延层；3-P埋层区；4-P-埋层区；5-P-注入区与P阱之间的浅沟槽隔离区；6-两P阱之间的浅沟槽隔离区；7-深P阱；8-P-注入区；9-N阱；10-深P阱两侧的P阱；11-外延层两侧的P阱；12-N+区；13-深P阱两侧的P+区；14-外延层两侧的P+区。

如图3为本发明单光子雪崩光电二极管阵列单元的横截面结构示意图。

标识说明：1-P型衬底；2-外延层；3-P埋层区；4-P-埋层区；5-P-注入区与P阱之间的浅沟槽隔离区；6-两P阱之间的浅沟槽隔离区；7-深P阱；8-P-注入区；9-N阱；10-深P阱两侧的P阱；11-外延层两侧的P阱；12-N+区；13-深P阱两侧的P+区；14-外延层两侧的P+区。

图4为单光子雪崩光电二极管阵列单元的2×2阵列结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，为传统SPAD阵列单元的横截面示意图；该阵列单元的有源区包括P型衬底1；深N阱2；P+区3；深N阱内部的P阱4；P阱和P+区之间的浅沟槽隔离(STI)区5；N+区6；两P+区之间的浅沟槽隔离(STI)区7；P+区8；P型衬底两侧的P阱9。传统SPAD结构的P型衬底1中有一个深N阱2，深N阱2表面中心为P+区3，该区表面引出电极作为SPAD器件的阳极，P+区3与深N阱2之间形成雪崩区，P+区3环绕的轻掺杂P阱4可以防止边缘击穿和边缘效应。深N阱内上表面两侧是N+区6，该区表面引出电极作为SPAD器件的阴极；N+区6和P阱4之间用浅沟槽隔离(STI)5隔开，以减小器件之间的串扰，SPAD两侧深N阱外还有两个P+区8，其周围被P阱9包裹。传统的这种SPAD结构，N+区与P阱之间形成雪崩区，其雪崩区很小，探测效率不高，串扰率较高。

如图2所示,为本发明提出的单光子雪崩光电二极管阵列单元的结构示意图。本发明的SPAD的阵列单元是一个圆柱形，其俯视图是一个圆形如图2所示，该单元的有源区包括：P型衬底1；外延层2；P埋层区3；P-埋层区4；P-注入区和P阱之间的浅沟槽隔离区5；两P阱之间的浅沟槽隔离区6；深P阱7；P-注入区8；N阱9；深P阱两侧的P阱10；外延层两侧的P阱11；N+区12；深P阱两侧的P+区13；外延层两侧的P+区14。

如图3所示，为SPAD阵列单元沿着图2的AB方向的横截面图。本发明的SPAD器件有P型衬底1和外延长2，里面一个深P阱7，深P阱7内有两个埋层区，分别是P埋层区3和P-埋层区4。P-埋层区4的上面是P-注入区8，该区域和P-埋层区4的杂质浓度相差不大，它是通过离子注入直接形成的。深P阱7表面中心是一个N+区12，其表面引出电极作为SPAD器件的阳极；N+区12被N阱9包围。深P阱7表面两侧环绕着P+区13，其表面引出电极作为SPAD器件的阴极，P+区13被P阱10包围。外延层2的表面两侧深P阱7以外还环绕着P+区14，其周围被P阱11包围。P阱10和P阱11之间用浅沟槽隔离(STI)区6隔开，P阱10和P-注入区8用浅沟槽隔离(STI)区5隔开，浅沟槽隔离区的作用是减小器件单元之间的串扰。

在本发明的结构中，器件的雪崩区由轻掺杂N阱9和深P阱7形成PN结耗尽层。当SPAD工作在盖革模式下时，一旦检测到光子后，在其交界处的雪崩区就会产生一个电子-空穴对。电子和空穴获得足够的能量后会在高电场下加速，与晶格发生碰撞，形成大量的电子空穴对从而构成较大的二次光电流。这一过程形成连锁反应，从而产生雪崩现象。该结构在轻掺杂的N阱和P型衬底之间形成雪崩区，拉低了耗尽层的位置，增加了雪崩区的深度，有助于吸收波长较长的光子，提高光子的探测效率。

本发明的衬底和外延层材料可以用硅(Si)、锗(Ge)，以及砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铟砷化镓(InGaAs)等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

本发明提出的SPAD器件在结构上有着重大的突破，性能上也有着极大的提高，主要表现在以下方面：1)、N阱与P型衬底之间形成雪崩区；由于N阱浓度相对较低，因此与P型衬底形成的雪崩区厚，可以吸收波长较长的光子，有利于提高探测效率。2)、采用以深P阱代替深N阱的结构；这种结构巧妙的避免的深N阱与P型衬底之间形成的寄生PN结，有利于提高探测效率。3)、采用P-埋层结构来控制边缘电场；传统的SPAD通过周边低掺杂的方法来防止边缘击穿，但是这种方式在防止边缘击穿的同时也缩小了SPAD雪崩区的面积；采用P-埋层的方式来控制边缘电场既可以更有效的防止边缘效应，也确保了雪崩区的面积不会减小，因此相对与传统的SPAD来讲，相对增加了雪崩区的面积，有利于提高探测效率。4)、三重保护环结构；本发明用P埋层区、P-埋层区和环绕式P-注入区作为保护环，再加上浅沟槽隔离的辅助，可以有效的解决SPAD之间的串扰问题，极大的降低SPAD器件的暗计数。

如图4所示，本发明将单光子雪崩光电二极管(即：SPAD)单元整齐排列得到一个的2×2阵列示意图。

用CMOS工艺实现本发明的SPAD单元结构的工艺流程为：1)、在硅晶圆上离子注入P型杂质形成P型衬底1。2)、在P型衬底表面涂光刻胶，刻蚀掉P埋层区3和P-埋层区4位置的光刻胶后离子注入，离子注入的能量相等，P埋层区3的P型杂质剂量大于P-埋层区4的剂量；去除掉表面所有的光刻胶，然后在表面生长一层外延层2，从而得到埋层P埋层区3和P-埋层区4。3)、在表面涂上光刻胶并去除STI位置处的光刻胶，刻蚀掉该位置的P型衬底并用SiO₂填充形成浅沟槽隔离区5和浅沟槽隔离区6。4)、表面涂上光刻胶并去除深P阱位置处的光刻胶，离子注入P型杂质形成深P阱7。5)、表面涂上光刻胶并去除P-注入区8位置处的光刻胶，离子注入一定量的P型杂质形成环绕式P-注入区8。6)、先后离子注入N型杂质和P型杂质，形成N阱9、深P阱两侧的P阱10、外延层两侧的P阱11、N+区12、深P阱两侧的P+区13和外延层两侧的P+区14。

Claims (5)

1.一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，其特征在于，所述阵列单元的有源区包括：P型衬底(1)、外延层(2)、P埋层区(3)、P-埋层区(4)、P-注入区和P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区(5)、两P阱之间的浅沟槽隔离(STI)区(6)、深P阱(7)、P-注入区(8)、N阱(9)、深P阱两侧的P阱(10)、外延层两侧的P阱(11)、N+区(12)、深P阱两侧的P+区(13)、外延层两侧的P+区(14)；所述单光子雪崩光电二极管的深P阱(7)贯穿在P型衬底(1)和外延层(2)之间；P型衬底(1)的表面中心有一个P埋层区(3)，该区的作用是保护环的作用，P埋层区(3)的周围环绕着P-埋层(4)，P-埋层(4)可以控制雪崩区电场的均匀性，深P阱(7)的表面中心有一个N+区(12)，该区表面引出电极作为单光子雪崩光电二极管器件的正极，N+区(12)被N阱(9)包围，N阱(9)和深P阱(7)之间形成雪崩区，N阱(9)的四周环绕着P-注入区(8)，该区是一个环绕式保护环结构，深P阱(7)的表面两侧还有一个环形的P+区(13)，其表面引出电极作为SPAD器件的负极，环形P+区(13)被P阱(10)包围，外延层(2)两侧深P阱(7)以外还有一个环形P+区(14)，该区被P阱(11)包围；两个P阱之间用浅沟槽隔离区(6)隔开,P阱(10)和P-注入区(8)用浅沟槽隔离区(5)隔开。

2.根据权利要求1所述的一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，其特征在于：所述的P型衬底(1)和外延层(2)的材料为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铟砷化镓(InGaAs)Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

3.根据权利要求1所述的一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，其特征在于：所述的雪崩区为轻掺杂N阱(9)和深P阱(7)形成PN结构层；当单光子雪崩光电二极管工作在盖革模式下时，一旦检测到光子后，在其交界处的雪崩区就会产生一个电子-空穴对，电子和空穴获得足够的能量后会在高电场下加速，与晶格发生碰撞，形成大量的电子空穴对从而构成较大的二次光电流，这一过程形成连锁反应，产生雪崩现象，该结构在轻掺杂的N阱(9)和P型衬底(1)之间形成雪崩区。

4.根据权利要求1所述的一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，其特征在于：在P型衬底中用深P阱取代深N阱；设有三重保护环结构，即：环形P-注入结构、P埋层结构和P-埋层结构。

5.根据权利要求1所述的一种高探测效率的单光子雪崩光电二极管探测器阵列单元，其特征在于：用P-埋层区(4)控制边缘电场。