CN106298816A - 集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)及其制作方法，为降低版图尺寸的集成淬灭电阻的SPAD结构及其制备方法，通过将淬灭电阻光刻在SPAD结构中，使雪崩电荷控制在合理范围内，从而实现后脉冲概率的有效降低，改善像素性能。本发明采用的技术方案是，集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管，在P型半导体衬底上，生成有P型外延层，在P型外延层上先后进行N型杂质注入和P型杂质注入形成有PN结，PN结上设置氧化形成的氧化层，对部分氧化层进行刻蚀处加入有阳极，阳极与P型杂质相连通，利用光刻添加的淬灭电阻与阳极相连，阳极通过一层金属环与输出引脚相连。本发明主要应用于单光子雪崩二极管设计制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)及其制作方法,并且具体地涉及在CMOS制作工艺中制造的SPAD。
背景技术
为了检测微弱光信号，需要使用具有高探测效率和良好时间分辨率的单光子探测器。但单个光子的能量极小，仅为10-19-10-18J，要想检测到单光子，就必须采用特殊的光电器件。其中，单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，SPAD)不仅具有高探测率、低功耗、体积小的特点，还具有高增益、对电磁场免疫的特性，是用于单光子探测的最佳选择。
单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，SPAD)是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管。所谓盖革模式，即施加在SPAD两极的反偏电压略高于雪崩电压的工作模式。在盖革模式下，当有光子入射时，会产生电子空穴对，激发的自由载流子扩散进耗尽层后受到强电场的作用而进行高速的漂移运动，因而具有极高的概率能与晶格发生碰撞电离，产生新的电子空穴对。强电场作用下，新生的电子空穴对在倍增区继续碰撞晶格，使得上述的碰撞电离继续发生，而新的电子空穴对也不断产生，即发生雪崩倍增，PN结内的自由载流子越聚越多，反向电流急剧增大，以达到单光子检测的效果。
SPAD的工作电压高于其雪崩阈值电压，保证了单光子触发的雪崩信号可以被后续电路检测到。但雪崩是一种自持的行为，器件本身并不能自发的将其淬灭，持续通过大电流很容易造成SPAD的损毁。而且，为了能够进行连续探测，及时对下一个光子信号产生响应，探测器也需要采取淬灭电路在雪崩发生后迅速将其切断，回复到接受光子的状态。在众多淬灭方式中，被动式淬灭电路是最简单的一种。其原理如图1所示，RL一般为几百KΩ，雪崩脉冲信号通过VOUT输出。当没有光子时SPAD处于等待状态，此时SPAD两端电压为Vdd；一旦SPAD接收到光子后雪崩发生，瞬间产生的雪崩大电流导致RL两端的电压迅速增大，SPAD两端的偏置电压则迅速降低至雪崩阈值电压以下，雪崩被淬灭。随后，偏置电压又通过RL对SPAD进行充电，使其恢复到雪崩前的状态，准备对下一个光子进行探测。
虽然被动式淬灭电路实现简单，但淬灭电阻阻值较大，不仅导致后脉冲概率的增大，也会增加版图尺寸，影响了像素的填充率及探测器的性能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种可降低后脉冲概率，降低版图尺寸的集成淬灭电阻的SPAD结构及其制备方法，通过将淬灭电阻光刻在SPAD结构中，使雪崩电荷控制在合理范围内，从而实现后脉冲概率的有效降低，改善像素性能。本发明采用的技术方案是，集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管，在P型半导体衬底上，生成有P型外延层，在P型外延层上先后进行N型杂质注入和P型杂质注入形成有PN结，PN结上设置氧化形成的氧化层，对部分氧化层进行刻蚀处加入有电极，利用光刻添加的淬灭电阻与电极相连，电极通过一层金属环与输出引脚相连。
从底层至顶层依次为P型外延层；深N阱；P型有源区；阳极电极；淬灭电阻；金属环。
集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管制造方法，在P型半导体衬底上首先生长一层P型外延层，然后，选用N型杂质，进行离子注入，注入外延层，形成深N阱；接着，选用P型杂质，在注入能量的作用下，进行杂质注入，形成P型有源区；深N阱和P型有源区之间形成雪崩倍增区；之后进行氧化层的生成；在加入阳极电极之前，需要对部分氧化层进行刻蚀，以便加入的阳极电极能够与P型掺杂区直接接触；之后在P型半导体衬底底部以同样方式加入阴极电极；完成上述步骤后，利用光刻技术，将淬灭电阻与电极相连，最后再次进行氧化，形成掺磷的SiO2层，并加入金属环，将金属环与外部管脚相连，由于最后的氧化层中掺有磷，因此该氧化层具有导电性，可使得金属环，掺磷氧化层，淬灭电阻，阳极，雪崩倍增区，衬底以及阴极形成完整的电流通路。
P型外延层、深N阱、P型有源区的直径逐渐缩小，阳极电极和淬灭电阻为关于AA’对称的矩形，金属环的外圆半径介于深N阱和P型有源区的半径之间，内圆半径略小于型有源区的半径；氧化层为环形，覆盖在P型有源区之上，并将阳极电极和淬灭电阻包覆，其外圆半径与P型外延层半径相同，内圆半径与金属环的内圆半径相同。
本发明的特点及有益效果是：
本发明通过将淬灭电阻光刻在SPAD结构中，使雪崩电荷控制在合理范围内，从而实现后脉冲概率的有效降低，改善了像素性能。
附图说明：
图1被动式淬灭电路结构。
图2集成淬灭电阻的SPAD结构横截面示意图。
图3集成淬灭电阻的圆形SPAD结构俯视图。
图4集成淬灭电阻的正八边形SPAD结构俯视图。
具体实施方式
在P型半导体衬底上，生成P型外延层。在P型外延层上先后进行N型杂质注入和P型杂质注入形成PN结，之后进行氧化形成氧化层。对部分氧化层进行刻蚀，加入电极。在衬底底部以同样方式加入阴极。利用光刻添加淬灭电阻，并与电极相连。完成淬灭电阻的添加后再进行一次氧化，最后添加一层金属环用于与输出引脚相连。
制造方法：
通过标准CMOS工艺可制备该SPAD。以图2所示为例，在P型半导体衬底上首先生长一层P型外延层1。然后，选用N型杂质，以较大能量进行离子注入，注入外延层，形成深N阱2。接着，选用P型杂质，在特定注入能量的作用下，进行杂质注入，形成P型有源区3。深N阱2和P型掺杂区3之间形成雪崩倍增区。之后进行氧化层4的生成。在加入阳极电极5之前，需要对部分氧化层进行刻蚀，以便加入的阳极电极能够与P型掺杂区直接接触。阳极添加完成后，在衬底底部加入阴极8。完成上述步骤后，利用光刻技术，将淬灭电阻6与电极相连。最后再次进行氧化，形成掺磷的SiO2层4，并加入金属环7。
图3，图4为最终的呈中心对称的SPAD版图，俯视图分别为圆形和正八边形。现以圆形SPAD结构为例进行说明，该结构版图从底层至顶层依次为P型外延层1；深N阱2；P型有源区3；阳极电极5；淬灭电阻6；金属环7；阴极电极8。其中，P型外延层1；深N阱2；P型有源区3的直径逐渐缩小，阳极电极5和淬灭电阻6为关于AA’对称的矩形，金属环7的外圆半径介于深N阱2和P型有源区3的半径之间，内圆半径略小于P型有源区3的半径。氧化层4为环形，覆盖在P型有源区3之上，并将阳极电极5和淬灭电阻6包覆，其外圆半径与P型外延层1半径相同，内圆半径与金属环7的内圆半径相同。为便于观察底层结构,图中略去了氧化层4及阴极8。正八边形结构与圆形结构类似。
Claims (4)
1.一种集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管，其特征是，在P型半导体衬底上，生成有P型外延层，在P型外延层上先后进行N型杂质注入和P型杂质注入形成有PN结，PN结上设置氧化形成的氧化层，对部分氧化层进行刻蚀处加入有阳极，阳极与P型杂质相连通，利用光刻添加的淬灭电阻与阳极相连，阳极通过一层金属环与输出引脚相连。
2.如权利要求1所述的集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管，其特征是，从底层至顶层依次为P型外延层；深N阱；P型有源区；阳极电极；淬灭电阻；金属环。
3.一种集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管制造方法，其特征是，集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管制造方法，在P型半导体衬底上首先生长一层P型外延层，然后，选用N型杂质，进行离子注入，注入外延层，形成深N阱；接着，选用P型杂质，在注入能量的作用下，进行杂质注入，形成P型有源区；深N阱和P型有源区之间形成雪崩倍增区；之后进行氧化层的生成；在加入阳极电极之前，需要对部分氧化层进行刻蚀，以便加入的阳极电极能够与P型掺杂区直接接触；之后在P型半导体衬底底部以同样方式加入阴极电极；完成上述步骤后，利用光刻技术，将淬灭电阻与电极相连，最后再次进行氧化，形成掺磷的SiO2层，并加入金属环，将金属环与外部管脚相连，由于最后的氧化层中掺有磷，因此该氧化层具有导电性，可使得金属环，掺磷氧化层，淬灭电阻，阳极，雪崩倍增区，衬底以及阴极形成完整的电流通路。
4.如权利要求3所述的集成淬灭电阻的单光子雪崩二极管制造方法，其特征是，P型外延层、深N阱、P型有源区的直径逐渐缩小，阳极电极和淬灭电阻为关于AA’对称的矩形，金属环的外圆半径介于深N阱和P型有源区的半径之间，内圆半径略小于型有源区的半径；氧化层为环形，覆盖在P型有源区之上，并将阳极电极和淬灭电阻包覆，其外圆半径与P型外延层半径相同，内圆半径与金属环的内圆半径相同。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |